EP3850439A1 - Procédé, microscope et ensemble d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission - Google Patents

Procédé, microscope et ensemble d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission

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EP3850439A1
EP3850439A1 EP19774071.5A EP19774071A EP3850439A1 EP 3850439 A1 EP3850439 A1 EP 3850439A1 EP 19774071 A EP19774071 A EP 19774071A EP 3850439 A1 EP3850439 A1 EP 3850439A1
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EP
European Patent Office
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illumination
wave
waves
holographic
microscope
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19774071.5A
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German (de)
English (en)
Inventor
Michel Gross
Daniel ALEXANDRE
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Montpellier I
Universite de Montpellier
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Montpellier I
Universite de Montpellier
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Montpellier I, Universite de Montpellier filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Definitions

  • the present invention relates to a digital off-axis holographic imaging method in transmission. It also relates to a digital holographic imaging microscope off-axis in transmission, and to an imaging assembly implementing such a microscope.
  • the field of the invention is the field of off-axis digital holographic imaging in transmission using an imaging lens and more generally a focusing means.
  • holographic imagery in the axis There are currently various techniques of digital holographic imaging in transmission in order to produce a three-dimensional holographic image of an object: holographic imagery in the axis, holographic imagery off-axis, holographic imagery with tracer, holographic imagery without tracer, holographic imagery with imaging objective, etc.
  • the present invention relates to off-axis digital holographic imaging in transmission with lens, or imaging objective.
  • Another object of the invention is to propose a digital holographic imaging method off-axis in transmission with a more precise imaging objective than the existing methods.
  • Yet another object of the invention is to propose a digital off-axis holographic imaging method in transmission with an imaging objective having a faster acquisition speed so as to follow, over time, the three-dimensional movements of objects. discreet.
  • Another object of the invention is to propose a digital holographic imaging method off-axis in transmission with a more precise and / or faster imaging objective, while being more versatile.
  • the invention makes it possible to achieve at least one of these aims by a method of off-axis digital holographic imaging in transmission of an object, said method comprising:
  • At least one iteration of a step of acquiring an image of said object comprising the following steps:
  • illumination waves consistent with a wave, called the reference wave, each illumination wave causing the diffusion by said object of a wave, called object wave
  • the illumination step comprises an emission of at least three non-coplanar illumination waves for the acquisition of a single image.
  • the method according to the invention therefore proposes to use at least three non-coplanar illumination waves for the acquisition of the same three-dimensional holographic image of an object and to recover the object waves originating from the object by a means of focus.
  • the method according to the invention makes it possible to produce a truly three-dimensional holographic image of an object, in a single acquisition, unlike methods using a single illumination wave.
  • the method according to the invention is more precise than the methods of the prior art because it does not suffer from false coincidences due to the insufficient description of the images of the objects by two illumination waves.
  • the use of at least three non-coplanar illumination waves makes it possible to eliminate, for example by triangulation, the points corresponding to the crossings of the illumination waves.
  • the method according to the invention using an imaging objective, can be implemented by all objective microscopes, which allows a simpler and more versatile implementation.
  • a focusing means makes it possible to increase the precision of the image and to adapt the size of the imaged field to the digital sensor and to the resolution.
  • the focusing means can be a microscope lens, or a microscope objective.
  • the focusing means can be concave.
  • the digital sensor can be a CCD sensor, a CMOS sensor, a Foveon sensor, or any photosensitive electronic sensor.
  • the illumination step can transmit at least two illumination waves simultaneously.
  • the illumination step can transmit all the illumination waves simultaneously.
  • the illumination step can perform the emission of at least two illumination waves non-simultaneously.
  • the illumination step can transmit all the illumination waves in a non-simultaneous manner, that is to say in turn.
  • the emission of the illumination waves in a non-simultaneous manner makes it possible to facilitate the detection of the interference pattern (s), as well as the processing of the interference patterns during the digital processing step.
  • the illumination waves can be emitted in turn, in groups.
  • the illumination step can carry out a transmission of a first group of one or more simultaneous illumination waves, then a transmission of a second group of one or more simultaneous illumination waves.
  • At least one illumination wave can be generated by reflection, from a wave, called source wave, on a matrix of micro-mirrors (or "DMD” for "Digital Micromirror Device” in English).
  • a wave called source wave
  • DMD Digital Micromirror Device
  • Using a DMD simplifies obtaining non-coplanar illumination waves.
  • the architecture of the microscope implementing the method according to the invention is simplified. Indeed, the DMD is a device which is easy to use and which limits the number of components for implementing the method according to the invention.
  • the DMD makes it possible to obtain a very high acquisition frequency allowing monitoring over time of the movement of the object and therefore 4D holographic imaging.
  • the illumination step can comprise the following operations:
  • the non-coplanar illumination waves are obtained from two patterns displayed on the DMD in turn.
  • the illumination waves are therefore emitted in two groups, one of the groups being emitted before the other group.
  • At least one of the groups comprises at least two illumination waves emitted simultaneously, each corresponding to a diffraction order of the source wave by the DMD.
  • the illumination step can comprise the following operations:
  • the non-coplanar illumination waves are obtained in turn.
  • the waves of illumination are therefore emitted in turn.
  • at least one illumination wave is generated by reflection of a wave, said source, on at least one mirror.
  • illumination waves can be generated, each by reflection of the source wave on at least one mirror directed towards the object.
  • At least one mirror can be a semi-reflecting mirror.
  • At least two illumination waves can be generated by reflection of a wave, called source, on at least a first and a second semi-reflecting mirrors having different inclinations; and
  • At least one illumination wave is generated by reflection of the source wave on a third mirror, aligned with said first and second semi-reflecting mirrors, and having a different inclination from said first and second semi-reflecting mirrors.
  • the third mirror can be totally, or partially, reflective.
  • each mirror emits an illumination wave by reflection from a source wave emitted in the same direction.
  • the source wave is partially reflected by the first and second mirrors to obtain two illumination waves. Part of the source wave passes through the first and second mirrors to reach the third mirror which reflects it, partially or totally, to obtain a third illumination wave.
  • the stage of construction of the holographic image can comprise:
  • each point of the object can be identified in turn. Consequently, the method according to the invention makes it possible to construct a three-dimensional holographic image of an object point by point.
  • the purpose of the holographic image construction step is to reconstruct the object in a 3D space of dimension much larger than the dimension of the 2D space in which the interference figure was obtained in step d 'acquisition.
  • the reconstruction is nevertheless possible because the solution describing the object is sparse in 3D space, and because the holographic reconstruction equations allowing to calculate the field for each reconstruction distance are linear equations.
  • the measurement of the interference pattern obtained in the acquisition step can be considered as a compressed acquisition of the signal describing the object in 3D space.
  • the reconstruction of the holographic image can be done using one of the numerous reconstruction methods of a compressed acquisition, in particular a reconstruction by pursuit or by orthogonal pursuit, known as such by a person skilled in the art.
  • the images generated during the step of generating the cleaning phase can be holographic images reconstructed in amplitude and phase (complex images in the mathematical sense).
  • the different images of a series can each correspond to a different depth relative to the plane of the digital sensor.
  • the generation step can generate a single series of images, from the interference figure corresponding to the sum of all the illuminations, without selecting the illuminations.
  • a intensity matrix called global, is generated for the sum of all the illuminations.
  • the generation step can generate a generation of at least three series of images, each of the at least three series being obtained by selecting in the interference figure provided by the acquisition step the holographic signal corresponding to one of the illumination waves, and therefore to one of the directions of illumination.
  • several intensity matrices, called individual, are generated, each intensity matrix corresponding to an illumination wave, or to an illumination direction.
  • the three-dimensional intensity matrix (s) are used to determine the position and intensity of the brightest point, or diffuser.
  • the brightest point can be determined as:
  • the step of suppressing the field radiated by the bright point or points may comprise a subtraction of the field radiated by this or these from the interference pattern provided by the acquisition step.
  • it may be necessary to normalize the brightness, or adjust the gain, of the selected bright point (s), and the resulting radiated field, so that after deleting the radiated field the energy remaining in the interference pattern is minimal. Normalization corresponds to the transition from a tracking method to an orthogonal tracking method.
  • the method according to the invention can comprise several iterations of the acquisition step.
  • Iterations can be performed at a frequency greater than or equal to 24 images per second.
  • the method according to the invention can also comprise a step of constructing a holographic video from the holographic images obtained.
  • a holographic monitoring of an object in 4P it is possible to carry out a holographic monitoring of an object in 4P.
  • a digital holographic imaging microscope off-axis in transmission comprising:
  • illumination waves means for illuminating an object with several light waves, called illumination waves, which are coherent and identical to a wave, known as a reference wave, each illumination wave causing the diffusion by said object of a wave, known as a wave object;
  • said illumination means are arranged to emit at least three non-coplanar illumination waves for the acquisition of a single image.
  • the microscope may include elements arranged to implement all the steps of the method according to the invention.
  • the illumination means can comprise a matrix of micro-mirrors (or "DMD” for "Digital Micromirror Device” in English) configured to display at least two non-parallel patterns for the acquisition of each image .
  • DMD micro-mirrors
  • the DMD can be configured to implement one of the examples described above.
  • the illumination means may comprise reflecting or semi-reflecting mirrors arranged to reflect a wave, said source, partially or totally.
  • the mirrors can be non-coplanar.
  • the illumination means can comprise:
  • At least one reflecting mirror aligned with said semi-reflecting mirrors and having a different inclination from said semi-reflecting mirrors.
  • each of the mirrors provides an illumination wave by reflection of part of the source wave.
  • the microscope according to the invention can also comprise a laser source providing a wave, called a source, from which the reference wave and the illumination waves are obtained.
  • the microscope according to the invention can be configured to carry out an acquisition at a frequency greater than or equal to 24 images per second.
  • a set of digital holographic imaging comprising:
  • At least one digital module for constructing a holographic image from at least one interference figure supplied by said microscope.
  • the assembly according to the invention can also comprise a module for generating a holographic video from the holographic images provided by the holographic image construction module.
  • the generation module can in particular be integrated, or integrate, the image construction module.
  • the digital image construction module (s), respectively video generation module, can be (are) distant from the microscope, and may not be integral with said microscope.
  • This module (s) can be found on the same as the microscope, or on a different site.
  • At least one of the digital image construction and video generation modules can be a hardware module, such as a processor or an electronic chip, or a software / computer module executed in an electronic or computer device, such as a computer. or a server.
  • FIGURE 1 is a schematic representation of a first non-limiting embodiment of a microscope according to the invention
  • FIGURES 2a-2d are schematic representations of an example of using the microscope of FIGURE 1;
  • FIGURE 3 is a schematic representation of a second non-limiting embodiment of a microscope according to the invention.
  • FIGURES 4a-4b are schematic representations of an example of using the microscope of FIGURE 3;
  • FIGURE 5 is a schematic representation of a third non-limiting exemplary embodiment of a microscope according to the invention.
  • FIGURE 6 is a schematic representation of an example of using the microscope of FIGURE 5;
  • FIGURE 7 is a schematic representation of a nonlimiting exemplary embodiment of an imaging assembly according to the invention.
  • FIGURE 8 is a schematic representation in the form of a diagram of a non-limiting exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • variants of the invention comprising only a selection of characteristics described hereinafter isolated from the other characteristics described, if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the prior art.
  • This selection comprises at least one preferably functional characteristic without structural details, or with only a part of the structural details if this part is only sufficient to confer a technical advantage or to differentiate the invention from the state of the prior art.
  • FIGURE 1 is a schematic representation of a first non-limiting embodiment of a microscope according to the invention.
  • the microscope 100 shown in FIGURE 1, makes it possible to produce one or more holographic images of an object 102.
  • the microscope 100 comprises a laser source 104 emitting a laser wave 106, called the source wave, towards a semi-reflecting mirror 108.
  • the latter separates the source wave 106 into two waves:
  • a wave 110 reflected by the semi-reflecting mirror 108, which will be used to generate at least three waves of non-coplanar illuminations to illuminate the object 102.
  • the microscope 100 comprises an array of micro-mirrors 112 ("DMD") illuminated by the wave 110.
  • DMD micro-mirrors 112
  • the DMD 112 is configured to display in turn a first pattern 112i, then a second pattern 112 2 , said two patterns 112i and 112 2 being non-parallel to each other.
  • each of the patterns 112 I -112 2 is formed by a series of lines which are mutually parallel, and perpendicular to those forming the other of the patterns 112 I - 112 2 .
  • the reflection of the wave 110 on the DMD 112 generates several illumination waves among which:
  • These three waves OIi °, OIi +1 , and Olf 1 are used as the illumination wave for object 102. These three illumination waves OIi °, OIi +1 , and Olf 1 are emitted simultaneously and are coplanar.
  • the reflection of the wave 110 on the DMD 112 generates several waves among which:
  • These three waves OI 2 °, OI 2 +1 , and OI 2 _1 are also used as the illumination wave for object 102.
  • the three illumination waves OI 2 °, OI 2 +1 , and OI 2 _1 obtained from the pattern 112 2 are coplanar with each other and are emitted simultaneously.
  • the three illumination waves OI 2 °, OI 2 +1 , and OI 2 _1 obtained from the motif 112 2 are not coplanar with the three illumination waves OIi °, OIi +1 , and Olf 1 obtained from pattern 112i.
  • the illumination waves OIi °, OIi +1 , and Olf 1 are emitted before the illumination waves OI 2 °, OI 2 +1 , and OI 2 _1 .
  • the object 102 is illuminated with a first and a second group of illumination waves, in turn.
  • the illumination waves of the first group are not coplanar with those of the second group.
  • the reference OI +1 designates either the OIi +1 wave or the OI 2 +1 wave according to the pattern displayed by the DMD.
  • the same reasoning applies by analogy to the references OG 1 and OI ° used in FIGURE 1.
  • the DMD 112 is configured to alternate at least once the patterns 112i and 112 2 so as to display in total at least once each pattern 112 I -112 2 .
  • the object 102 is illuminated, in turn, at least once:
  • each pattern 112 I -112 2 can be displayed several times, as will be described later with reference to FIGURE 2a.
  • each illumination wave 01 leaving the DMD 112 is:
  • the lens 114 and the zoom 116 allow the conditioning of the beam coming from the DMD 112. They allow on the one hand to project the image of the DMD 112 in the plane of the object 102 and in the plane of the digital sensor 126 used. They allow the adjustment and adaptation of the magnifications of the image of the DMD 112 in the plane of the object 102, and the adjustment of the angles of the beams coming from the DMD 112 in the plane of the object 102.
  • the zoom 116 can be placed before or after the lens 114 and the illumination waves can possibly cross between the zoom 116 and the imaging objective 122; other optical elements (objective, lenses, mirrors) can be added or be already present in the microscope before or after the zoom 116 and the imaging objective 122;
  • - Can pass through a condenser 120 which allows, by replacing the laser illumination with a white light source, to make the device compatible with the usual operation of a microscope in bright field illumination.
  • Each illumination wave 01 causes the emission by the object 102 of at least one wave, said object, denoted 00.
  • Each object wave 00 emitted by the object 102 passes through an imaging objective 122 making it possible to enlarge the image and to improve the resolution of the image.
  • the microscope 100 further comprises a separating cube 124, serving as a semi-transparent mirror, receiving on the one hand the reference wave OR and each object wave 00, and directing them towards a photosensitive digital sensor 126.
  • the separating cube 124 reflects the reference wave OR towards the digital sensor 126 and transmits each object wave 00.
  • the function of the digital photosensitive sensor 126 is to detect the interference pattern between the reference wave OR and each object wave 00 emitted by the object 102 for each of the at least three illumination waves.
  • the digital sensor 126 can be, for example, a CCD sensor, a CMOS sensor, a Foveon sensor, etc.
  • each illumination wave causes three orders of interference at the level of the digital sensor 126: namely an interference of order 0, an interference of order +1 and an interference d 'order -1.
  • the separator cube 124 is angularly offset.
  • FIGURES 2a-2d are schematic representations of an example of use of the device 100 of FIGURE 1.
  • arrow 202 represents time.
  • the references 204 and 206 each designate a capture carried out by the sensor 126.
  • FIGURE 2b shows the interference figure obtained by the sensor 126 each time the pattern 112i is displayed on the DMD 112.
  • the three tasks 208 correspond to the interference of order -1 obtained for each of the illumination waves OIi °, OIi +1 and Olf 1 .
  • Tasks 210 correspond to the interference order +1 obtained for each of the illumination waves OIi °, OIi +1 and Olf 1
  • tasks 212 correspond to the interference order 0 obtained for each of the waves d illumination OIi °, OIi +1 and Olf 1 .
  • the tasks 208 are clear and are used for the generation of the holographic image while the tasks 210 and 212 are not used for the generation of the holographic image of the object 102, and are eliminated.
  • FIGURE 2c shows the interference figure obtained by the sensor 126 each time the pattern 112 2 is displayed on the DMD 112.
  • the three tasks 214 correspond to the interference obtained for each of the illumination waves OI 2 °, OI 2 +1 and OI 2 _1 .
  • Tasks 216 correspond to the interference order +1 obtained for each of the illumination waves OI 2 °, OI 2 +1 and OI 2 ⁇ and tasks 218 correspond to the interference order 0 obtained for each of the OI 2 °, OI 2 +1 and O ⁇ illumination waves
  • the tasks 214 are clear and are used for the generation of the holographic image while the tasks 216 and 218 are not used for the generation of the holographic image of the object 102, and are eliminated.
  • FIGURE 2d shows the total interference figure obtained for the two patterns 112 I -112 2 for each 204 or 206.
  • FIGURE 3 is a schematic representation of a second non-limiting exemplary embodiment of a microscope according to the invention.
  • the microscope 300 shown in FIGURE 3, includes all of the elements of the microscope 100 in FIGURE 1 except the lens 114, the zoom 116 and the condenser 120.
  • the DMD 112 is programmed to display in turn three patterns, namely the pattern 112i, then the pattern 112 2 and finally a pattern 112 3 which is not parallel to the patterns 112i and 112 2 .
  • the pattern 112 3 is formed by lines, parallel to each other, and forming an angle of 45 ° with the lines forming the pattern 112i and with the lines forming the pattern 112 2 .
  • the microscope 300 includes three mirrors 302-306, having different inclinations, and positioned to reflect a single illumination wave 01 for each pattern displayed by the DMD 112. In other words, for each pattern, only one order of diffraction returned by DMD 112 is reflected towards object 102.
  • the mirror 302 can be positioned to reflect only the wave, denoted Of 1 , coming from the DMD 112 and corresponding to order “-1” reflected by the DMD 112 for the pattern 112i.
  • the waves of order 0, noted Oi °, and of order +1, noted Oi +1 , reflected by the DMD 112 are not directed towards the object 102 and do not illuminate the object 102.
  • the mirror 304 can be positioned to select only the order wave "-1", denoted 0 2 ⁇ reflected by the DMD 112 for the pattern 112 2
  • the mirror 306 can be positioned to select only the 'order wave' -1 ', noted 0 3 _1 , reflected by the DMD 112 for the motif 112 3 .
  • FIGURES 4a-4b are schematic representations of an example of use of the device 300 of FIGURE 3.
  • the arrow 402 represents time.
  • the references 404 and 406 each designate a capture carried out by the sensor 126.
  • the DMD 112 is controlled to display in turn three times an alternation of the three patterns 112 I -112 3 so that said patterns are displayed in turn and that each pattern 112 I -112 3 is displayed three times.
  • FIGURE 4b shows the total interference figure obtained by the sensor 126 for each capture 404 or 406.
  • the three tasks 408 correspond to the interference of order -1 obtained for the three illumination waves Olf 1 , OI2 '1 and OI 3 _1 . These tasks are generally sharp and are used for the generation of the holographic image.
  • the three tasks 410 correspond to the +1 interference order obtained for the three illumination waves Olf 1 , OI2 '1 and OI 3 _1 . These tasks 410 are generally not clear and are not used for the generation of the holographic image.
  • Task 412 corresponds to the interference order 0 obtained for the three illumination waves Olf 1 , OI2 '1 and OI 3 _1 . This task is generally not clear and is not used for the generation of the holographic image.
  • FIGURE 5 is a schematic representation of a third non-limiting exemplary embodiment of a microscope according to the invention.
  • the microscope 500 shown in FIGURE 4, includes all of the elements of the microscope 300 in FIGURE 3, except the DMD 112.
  • the microscope 500 comprises a series of three mirrors 502-506 aligned in the direction of the wave 110 and having different inclinations between them.
  • the mirror 502 is a semi-reflecting mirror. It reflects part of the 110 wave, like a first illumination wave, denoted OIi, towards the mirror 302 which directs it towards the object 102. The mirror 502 lets part of the incident wave 110 pass to the mirror 504.
  • the mirror 504 is a semi-reflecting mirror. It reflects part of the wave coming from the mirror 502, like a second illumination wave, denoted OI 2 , towards the mirror 304 which directs it towards the object 102.
  • the mirror 504 lets through part of the incident wave 110 to the mirror 506.
  • the mirror 506 is a fully reflecting mirror. It reflects all the wave coming from the mirror 504, like a third illumination wave, denoted OI 3 , towards the mirror 306, which directs it towards the object 102.
  • FIGURE 6 shows the figure of total interference obtained by the sensor 126 with the microscope 500 of FIGURE 5.
  • the three tasks 602 correspond to the interferences of order -1 obtained for the three illumination waves OIi, OI 2 and OI 3 . These tasks 602 are generally clear and are used for the generation of the holographic image.
  • Tasks 604 correspond to the +1 interference order obtained for the three illumination waves OIi, OI 2 and OI 3 . These tasks 604 are generally not clear and are not used for the generation of the holographic image.
  • the seven tasks 606 correspond to the interference order 0 obtained for the three illumination waves OIi, OI 2 and OI 3 . These tasks 606 are generally not clear and are not used for the generation of the holographic image.
  • FIGURE 7 is a schematic representation of a nonlimiting exemplary embodiment of an imaging assembly according to the invention.
  • the imaging assembly 700 comprises a microscope according to the invention 702, which can be for example any one of the microscopes 100, 300 or 500 of FIGURES 1, 3 and 5.
  • the imaging assembly 700 includes a module 704 for generating holographic images.
  • This module 704 is configured to construct a three-dimensional holographic image of the object from the total interference figure acquired by the digital sensor for each acquisition.
  • This interference figure is for example that shown in FIGURE 2d, or in FIGURE 4b or even in FIGURE 6, for each image.
  • the imaging assembly 700 can also comprise a module 706 for generating a holographic video.
  • This module 706 is configured to generate a video from the images supplied by the image generation module 704.
  • Each of the image generation modules 704 and video generation modules 706 can be produced by a physical electronic component, of the processor or electronic chip type, or by a computer program.
  • the image generation modules 704 and video generation 706 can be integrated into the same component / program, or into independent components / programs.
  • At least one of the image generation modules 704 and video generation modules 706 can be local or remote from the microscope 702.
  • FIGURE 8 is a schematic representation of a nonlimiting exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • the method 800 shown in FIGURE 8, comprises a step 802 of acquiring an interference fig of the object.
  • Step 802 includes a step 804 of illuminating the object with at least three non-coplanar illumination waves.
  • This illumination step 804 can use more than three wave of illuminations, as long as at least one of these waves is not coplanar with the other waves.
  • the illumination step 804 can be repeated several times, as described for example with reference to FIGURES 2a and 4a.
  • the acquisition step 802 comprises a step 806 of detecting and memorizing an interference pattern obtained for all the illuminations produced during the illumination step 804.
  • the acquisition step 802 can be carried out once and only once when it is desired to produce a single holographic image of the object.
  • the acquisition step 802 can be repeated at a given frequency when it is desired to produce several holographic images, in particular for producing a holographic video of the object.
  • the iteration frequency of the acquisition step 802 can be greater than or equal to 24 images per second.
  • the method 800 comprises a step 808 of digital construction of a holographic image of the object.
  • This construction step 808 is performed, in turn, for each interference figure memorized during each acquisition step.
  • the construction step 808 comprises several iterations of a phase 810, called cleaning. Each iteration of the cleaning phase 810 includes the following steps.
  • a step 812 generates one or more image series from the interference figure, namely:
  • each of the at least three series being obtained by selecting in the interference figure supplied by the acquisition step 802 the holographic signal corresponding to one of the illumination waves, and therefore to one of the directions of illumination
  • each image corresponding to a different depth relative to the plane of the digital sensor.
  • Each series of images obtained in step 812 is converted into a three-dimensional intensity matrix during a step 814.
  • Step 814 therefore provides as many intensity matrices as there are series of images generated during the step 812.
  • a step 816 then performs a selection of at least one bright point from the three-dimensional intensity matrix or matrixes, according to one of the techniques described above.
  • the field (s) radiated by the point or points selected during the step 816 is (are) deleted from the interference figure, for a new iteration of the phase cleaning 810.
  • the removal step 818 can comprise a normalization of the brightness, or an adjustment of gain, of the selected bright point or points, and of the radiated field or fields which result therefrom, so that after suppression of the radiated fields, the energy remaining in the interference figure is minimal.
  • the cleaning phase 810 is carried out as many times as necessary, and in particular until the energy of the interference figure has been sufficiently reduced.
  • the cleaning phase can be carried out until the total energy remaining in the interference figure is less than or equal to a fraction, for example 20%, of the initial total energy in the figure. interference before the start of the cleaning phase.
  • the cleaning phase can be carried out until the energy of the brightest point in the interference figure is less than or equal to a fraction, for example 1%, of the initial total energy. in the interference figure before the start of the cleaning phase.
  • Step 808 is repeated for each iteration of acquisition step 802 so as to generate a holographic image for each acquisition step 802.
  • Step 808 can also comprise a step of memorizing the holographic image obtained.
  • the method 800 can also comprise a step 822 generating a holographic video of the object from the holographic images produced by the different iterations of the step 808. Thus, it is possible to follow the movements of the object over time .

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Abstract

L'invention concerne un procédé (800) d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission d'un objet comprenant les étapes suivantes: - acquisition (802) d'une image holographique dudit objet (102) comprenant les étapes suivantes: - illumination (804) dudit objet avec au moins trois ondes d'illumination (OI) non-coplanaires, - focalisation de chaque onde objet provenant dudit objet vers un capteur numérique (126) par un moyen de focalisation (122), et - détection (806) d'une figure d'interférence (126) entre les ondes objet (OI) et une onde de référence (OR); et - reconstruction numérique (808) d'une image holographique à partir de l'au moins une figure d'interférence. Elle concerne également un microscope et un ensemble d'imagerie holographique mettant en oeuvre un tel procédé.

Description

« Procédé, microscope et ensemble d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission »
La présente invention concerne un procédé d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission. Elle concerne également un microscope d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission, et un ensemble d'imagerie mettant en œuvre un tel microscope.
Le domaine de l'invention est le domaine de l'imagerie holographique numérique hors axe en transmission utilisant une lentille d'imagerie et plus généralement un moyen de focalisation.
Etat de la technique
II existe actuellement différentes techniques d'imagerie holographique numérique en transmission en vue de réaliser une image holographique tridimensionnelle d'un objet : imagerie holographique dans l'axe, imagerie holographique hors axe, imagerie holographique avec traceur, imagerie holographique sans traceur, imagerie holographique avec objectif d'imagerie, etc. La présente invention concerne l'imagerie holographique numérique hors axe en transmission avec lentille, ou objectif d'imagerie.
Actuellement la plupart des procédés d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission avec un microscope à objectif mettent en œuvre une unique onde d'illumination. Ces procédés ne permettent pas de réaliser réellement une image holographique 3D d'un objet.
On connaît le document « 4P holographie microscopy of zebrafish larvae microcirculation » de Donnarumma et al. qui décrit l'utilisation de deux ondes d'illumination simultanées. Ce procédé permet d'améliorer les techniques d'imagerie holographique connues jusqu'à lors. Cependant, ce procédé souffre d'imprécisions au niveau de la description des images des objets, cette insuffisance ne permet pas l'élimination des fausses coïncidences entre deux objets différents, pouvant aboutir à la détection d'objets non existants. Un but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients.
Un autre but de l'invention est de proposer un procédé d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission avec objectif d'imagerie plus précis que les procédés existants.
Encore un autre but de l'invention est de proposer un procédé d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission avec objectif d'imagerie présentant une vitesse d'acquisition plus rapide de sorte à suivre, dans le temps, les déplacements tridimensionnels d'objets discrets.
Enfin, un autre but de l'invention est de proposer un procédé d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission avec objectif d'imagerie plus précis et/ou plus rapide, tout en étant plus versatile.
Exposé de l'invention
L'invention permet d'atteindre au moins l'un de ces buts par un procédé d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission d'un objet, ledit procédé comprenant :
- au moins une itération d'une étape d'acquisition d'une image dudit objet comprenant les étapes suivantes :
- illumination dudit objet avec plusieurs ondes lumineuses, dites ondes d'illumination, cohérentes à une onde, dite de référence, chaque onde d'illumination provoquant la diffusion par ledit objet d'une onde, dite onde objet,
- focalisation de chaque onde objet vers un capteur numérique par un moyen de focalisation,
- détection d'au moins une figure d'interférence entre les ondes objet et ladite onde de référence par au moins un capteur numérique ; et
- une étape de construction numérique de ladite image holographique à partir de l'au moins une figure d'interférence ;
caractérisé en ce que l'étape d'illumination comprend une émission d'au moins trois ondes d'illumination non-coplanaires pour l'acquisition d'une seule image. Le procédé selon l'invention propose donc d'utiliser au moins trois ondes d'illumination non-coplanaires pour l'acquisition d'une même image holographique tridimensionnelle d'un objet et de récupérer les ondes objets provenant de l'objet par un moyen de focalisation.
Ainsi, le procédé selon l'invention permet de réaliser une image holographique réellement tridimensionnelle d'un objet, en une seule acquisition, contrairement aux procédés utilisant une seule onde d'illumination.
De plus, le procédé selon l'invention est plus précis que les procédés de l'état de la technique car il ne souffre pas de fausses coïncidences dues à l'insuffisance de description des images des objets par deux ondes d'illumination. En effet, l'utilisation d'au moins trois ondes d'illumination non-coplanaires permet d'éliminer, par exemple par triangulation, les points correspondants aux croisements des ondes d'illumination.
En outre, le procédé selon l'invention, utilisant un objectif d'imagerie, peut être mis en œuvre par tous les microscopes à objectif, ce qui permet une mise en œuvre plus simple et plus versatile.
De plus, l'utilisation d'un moyen de focalisation permet d'augmenter la précision de l'image et adapter la taille du champ imagé au capteur numérique et à la résolution.
Avantageusement, le moyen de focalisation peut être une lentille de microscope, ou un objectif de microscope.
De préférence, le moyen de focalisation peut être concave.
Le capteur numérique peut être un capteur CCD, un capteur CMOS, un capteur Foveon, ou tout capteur électronique photosensible.
L'étape d'illumination peut réaliser une émission d'au moins deux ondes d'illumination de manière simultanée.
En particulier, l'étape d'illumination peut réaliser une émission de toutes les ondes d'illumination de manière simultanée.
Une telle émission simultanée d'au moins deux ondes d'illumination permet de réaliser plus rapidement l'étape d'acquisition. Alternativement, ou en plus, l'étape d'illumination peut réaliser une émission d'au moins deux ondes d'illumination de manière non-simultanée.
En particulier, l'étape d'illumination peut réaliser une émission toutes les ondes d'illumination de manière non-simultanée, c'est-à-dire à tour de rôle.
L'émission des ondes d'illumination de manière non-simultanée permet de faciliter la détection de la ou des figures d'interférence, ainsi que le traitement des figures d'interférence lors de l'étape de traitement numérique.
Suivant un mode de réalisation particulier et nullement limitatif, les ondes d'illumination peuvent être émises à tour de rôle, par groupes. Par exemple, l'étape d'illumination peut réaliser une émission d'un premier groupe d'une ou plusieurs ondes d'illumination simultanées, puis une émission d'un deuxième groupe d'une ou plusieurs ondes d'illumination simultanées.
Suivant une caractéristique particulièrement avantageuse, au moins une onde d'illumination peut être générée par réflexion, d'une onde, dite onde source, sur une matrice de micro-miroirs (ou « DMD » pour « Digital Micromirror Device » en anglais).
L'utilisation d'un DMD permet de simplifier l'obtention des ondes d'illumination non-coplanaires. L'architecture du microscope mettant en œuvre le procédé selon l'invention se trouve simplifié. En effet, le DMD est un dispositif qui est facile à utiliser et qui limite le nombre de composants pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.
De plus, le DMD permet d'obtenir une fréquence d'acquisition très grande permettant un suivi dans le temps du déplacement de l'objet et donc une imagerie holographique 4D.
Suivant un exemple de réalisation mettant en œuvre un DMD, l'étape d'illumination peut comprendre les opérations suivantes :
- éclairage de la matrice de micro-miroirs par l'onde source ; - commande de ladite matrice de micro-miroirs pour obtenir, à tour de rôle, deux motifs non-parallèles ; et
- sélection d'au moins un ordre de diffraction émis par ladite matrice pour l'un desdits motifs et d'au moins deux ordres de diffraction émis par ladite matrice l'autre des motifs.
Dans cet exemple de réalisation, les ondes d'illumination non- coplanaires sont obtenues à partir de deux motifs affichés sur le DMD à tour de rôle. Les ondes d'illumination sont donc émises en deux groupes, l'un des groupe étant émis avant l'autre groupe.
Au moins un des groupes comprend au moins deux ondes d'illumination émises simultanément correspondant chacune à un ordre de diffraction de l'onde source par le DMD.
Suivant un autre exemple de réalisation mettant en œuvre un DMD, l'étape d'illumination peut comprendre les opérations suivantes :
- éclairage de la matrice de micro-miroirs par l'onde source ;
- commande de ladite matrice de micro-miroirs pour obtenir, à tour de rôle, trois motifs non-parallèles, en particulier trois motifs formant entre eux un angle de 45° ;
- sélection d'au moins un ordre de diffraction pour chaque motif.
Dans cet exemple de réalisation, les ondes d'illumination non- coplanaires sont obtenues à tour de rôle. Les ondes d'illumination sont donc émises à tour de rôle. Suivant un mode de réalisation, au moins une onde d'illumination est générés par réflexion d'une onde, dite source, sur au moins un miroir.
En particulier, plusieurs, voir toutes, les ondes d'illumination peuvent être générées, chacune, par réflexion de l'onde source sur au moins un miroir dirigé vers l'objet.
Au moins un miroir peut être un miroir semi-réfléchissant.
Suivant un exemple de réalisation avantageux :
- au moins deux ondes d'illumination peuvent être générées par réflexion d'une onde, dite source, sur au moins un premier et un deuxième miroirs semi-réfléchissants présentant des inclinaisons différentes ; et
- au moins une onde d'illumination est générée par réflexion de l'onde source sur un troisième miroir, alignés avec lesdits premier et deuxième miroirs semi-réfléchissants, et présentant une inclinaison différente desdits premier et deuxième miroirs semi-réfléchissants.
Le troisième miroir peut être totalement, ou partiellement, réfléchissant.
Ainsi, chaque miroir émet une onde d'illumination par réflexion d'une onde source émise dans une même direction.
L'onde source est partiellement réfléchie par les premier et deuxième miroirs pour obtenir deux ondes d'illumination. Une partie de l'onde source traverse les premier et deuxième miroirs pour atteindre le troisième miroir qui la réfléchit, partiellement ou totalement, pour obtenir une troisième onde d'illumination.
Avantageusement, l'étape de construction de l'image holographique peut comprendre :
■plusieurs itérations d'une phase, dite de nettoyage, comprenant les étapes suivantes :
- génération, à partir de la figure d'interférence fournie par l'étape d'acquisition, d'au moins une série d'images 2D, chaque image correspondant à une profondeur différente par rapport au plan du capteur numérique ;
- pour chaque série d'images, obtention d'une matrice d'intensités tridimensionnelle à partir des images de ladite série ; et
- sélection d'au moins un point, dit point brillant, à partir de l'au moins une matrice d'intensités tridimensionnelle ;
- mémorisation dudit au moins un point brillant ; et - suppression du champ rayonné par ledit au moins un point brillant dans ladite figure d'interférence pour l'itération suivante de ladite phase de nettoyage ;
■élaboration d'une image holographique à partir desdits points brillants mémorisés lors de ladite phase de nettoyage.
Ainsi, chaque point de l'objet peut être identifié à tour de rôle. Par conséquent, le procédé selon l'invention permet de construire une image holographique tridimensionnelle d'un objet point par point.
L'étape de construction de l'image holographique a pour but de reconstruire l'objet dans un espace 3D de dimension bien plus grande que la dimension de l'espace 2D dans lequel la figure d'interférence a été obtenue à l'étape d'acquisition. La reconstruction est néanmoins possible parce que la solution décrivant l'objet est parcimonieuse dans l'espace 3D, et parce que les équations de reconstruction holographique permettant de calculer le champ pour chaque distance de reconstruction sont des équations linéaires.
Dans ces conditions, la mesure de la figure d'interférence obtenue à l'étape d'acquisition peut être considérée comme une acquisition comprimée du signal décrivant l'objet dans l'espace 3D. La reconstruction de l'image holographique peut être faite en utilisant l'une des nombreuses méthodes de reconstruction d'une acquisition comprimée, en particulier une reconstruction par poursuite ou par poursuite orthogonale, connues en tant que telles par l'homme du métier.
Avantageusement, les images générées lors de l'étape de génération de la phase de nettoyage peuvent être des images holographiques reconstruites en amplitude et phase (images complexes au sens mathématique). Les différentes images d'une série peuvent correspondre, chacune, à une profondeur différente par rapport au plan du capteur numérique.
L'étape de génération peut réaliser une génération d'une seule série d'images, à partir de la figure d'interférence correspondant à la somme de toutes les illuminations, sans sélection des illuminations. Dans ce cas, une matrice d'intensité, dite globale, est générée pour la somme de toutes les illuminations.
Alternativement, ou en plus, l'étape de génération peut réaliser une génération d'au moins trois séries d'images, chacune des au moins trois séries étant obtenue en sélectionnant dans la figure d'interférence fournie par l'étape d'acquisition le signal holographique correspondant à l'une des ondes d'illuminations, et donc à une des directions d'illumination. Dans ce cas, plusieurs matrices d'intensité, dite individuelles, sont générées, chaque matrice d'intensités correspondant à une onde d'illumination, ou à une direction d'illumination.
A chaque itération de la phase de nettoyage, la ou les matrices d'intensité tridimensionnelles sont utilisées pour déterminer la position et l'intensité du point, ou du diffuseur, le plus brillant.
Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour déterminer la position et l'intensité du point le plus brillant. Le point le plus brillant peut-être déterminé comme étant :
i) le point présentant l'intensité maximale dans la matrice d'intensité globale obtenue pour la somme de toutes les illuminations ;
ii) le point présentant l'intensité maximale dans le produit des matrices d'intensités individuelles correspondant aux différentes directions d'illumination ;
iii) le point présentant l'intensité maximale selon i) ou ii), en y ajoutant les points voisins dans le plan correspondant à la même profondeur de reconstruction,
iv) le point présentant l'intensité maximale selon i) ou ii) en y ajoutant des points situés à des profondeurs d'illumination différentes mais dont l'intensité est proche du maximum.
L'étape de suppression du champ rayonné par le ou les points brillants peut comprendre une soustraction du champ rayonné par ce ou ces de la figure d'interférence fournie par l'étape d'acquisition. Lors de l'étape de suppression, il peut être nécessaire de normaliser la brillance, ou d'ajuster le gain, du ou des points brillants sélectionnés, et le champ rayonné qui en résulte, de manière à ce qu'après suppression du champ rayonné l'énergie restante dans la figure d'interférence soit minimale. La normalisation correspond au passage d'une méthode de poursuite à une méthode de poursuite orthogonale.
De manière générale, il est possible de trouver plus de détails sur la phase de nettoyage dans le document « 4P holographie microscopy of zebrafish larvae microcirculation » de Donnarumma et al.
Le procédé selon l'invention peut comprendre plusieurs itérations de l'étape d'acquisition.
Les itérations peuvent être réalisées à une fréquence supérieure ou égale à 24 images par secondes.
De plus, le procédé selon l'invention peut en outre comprendre une étape de construction d'une vidéo holographique à partir des images holographiques obtenues. Ainsi, il est possible de réaliser un suivi holographique d'un objet en 4P.
Suivant un autre aspect de la présente invention, il est proposé un microscope d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission, comprenant :
- des moyens d'illumination d'un objet avec plusieurs ondes lumineuses, dites ondes d'illumination, cohérentes et identiques à une onde, dite de référence, chaque onde d'illumination provoquant la diffusion par ledit objet d'une onde, dite onde objet ;
- au moins un moyen de focalisation de chaque onde objet vers un capteur numérique ; et
- au moins un capteur numérique d'au moins une figure d'interférence entre les ondes objet et ladite onde de référence ; caractérisé en ce que lesdits moyens d'illumination sont agencés pour émettre au moins trois ondes d'illumination non-coplanaires pour l'acquisition d'une seule image.
Plus généralement, le microscope peut comprendre des éléments agencés pour mettre en œuvre toutes les étapes du procédé selon l'invention.
Suivant une caractéristique particulièrement avantageuse, les moyens d'illumination peuvent comprendre une matrice de micro-miroirs (ou « DMD » pour « Digital Micromirror Device » en anglais) configuré pour afficher au moins deux motifs non-parallèles pour l'acquisition de chaque image.
Le DMD peut être configuré pour mettre en œuvre l'un des exemples décrits plus haut.
Alternativement, ou en plus, les moyens d'illumination peuvent comprendre des miroirs réfléchissants ou semi-réfléchissants agencés pour réfléchir une onde, dite source, partiellement ou totalement.
En particulier les miroirs peuvent être non-coplanaires.
Suivant un exemple de réalisation non limitatif, les moyens d'illumination peuvent comprendre :
- au moins deux miroirs semi-réfléchissants présentant des inclinaisons différentes ; et
- au moins un miroir réfléchissant, alignés avec lesdits miroirs semi-réfléchissants et présentant une inclinaison différente desdits miroirs semi-réfléchissants.
Dans ce cas, chacun des miroirs fournit une onde d'illumination par réflexion d'une partie de l'onde source.
Bien entendu, le microscope selon l'invention peut en outre comprendre une source laser fournissant une onde, dite source, à partir de laquelle sont obtenues l'onde de référence et les ondes d'illumination. Le microscope selon l'invention peut être configuré pour réaliser une acquisition à une fréquence supérieure ou égale à 24 images par secondes.
Suivant encore un autre aspect de la présente invention, il est proposé un ensemble d'imagerie holographique numérique comprenant :
- un microscope selon l'invention, et
- au moins un module numérique de construction d'une image holographique à partir d'au moins une figure d'interférence fournie par ledit microscope.
L'ensemble selon l'invention peut en outre comprendre un module de génération d'une vidéo holographique à partir des images holographiques fournies par le module de construction d'image holographique.
Le module de génération peut en particulier être intégré, ou intégrer, le module de construction d'image.
Le(s) module(s) numérique de construction d'image, respectivement de génération vidéo, peu(ven)t être distant(s) du microscope, et peuvent ne pas être solidaire dudit microscope.
Ce(s) module(s) peu(ven)t se trouver sur le même que le microscope, ou sur un site différent.
Au moins un des modules numériques de construction d'image et de génération vidéo peut être un module matériel, tel qu'un processeur ou une puce électronique, ou un module logiciel/informatique exécuté dans un appareil électronique ou informatique, tel qu'un ordinateur ou un serveur.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de réalisation nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels : - la FIGURE 1 est une représentation schématique d'un premier exemple de réalisation non limitatif d'un microscope selon l'invention ;
- les FIGURES 2a-2d sont des représentations schématiques d'un exemple d'utilisation du microscope de la FIGURE 1 ;
- la FIGURE 3 est une représentation schématique d'un deuxième exemple de réalisation non limitatif d'un microscope selon l'invention ;
- les FIGURES 4a-4b sont des représentations schématiques d'un exemple d'utilisation du microscope de la FIGURE 3 ;
- la FIGURE 5 est une représentation schématique d'un troisième exemple de réalisation non limitatif d'un microscope selon l'invention ;
- la FIGURE 6 est une représentation schématique d'un exemple d'utilisation du microscope de la FIGURE 5 ;
- la FIGURE 7 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un ensemble d'imagerie selon l'invention ; et
- la FIGURE 8 est une représentation schématique sous la forme d'un diagramme d'un exemple de réalisation non limitatif d'un procédé selon l'invention.
Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie est uniquement suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
Sur les figures les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence. La FIGURE 1 est une représentation schématique d'un premier exemple de réalisation non limitatif d'un microscope selon l'invention.
Le microscope 100, représenté sur la FIGURE 1, permet de réaliser une ou des images holographiques d'un objet 102.
Le microscope 100 comprend une source laser 104 émettant une onde laser 106, appelée onde source, vers un miroir semi-réfléchissant 108. Ce dernier sépare l'onde source 106 en deux ondes :
- une onde, notée OR, traversant le miroir semi-réfléchissant 108, et qui sera utilisée comme onde de référence pour l'imagerie holographique ; et
- une onde 110, réfléchie par le miroir semi-réfléchissant 108, et qui sera utilisée pour générer au moins trois ondes d'illuminations non-coplanaires pour l'illuminer l'objet 102.
Pour générer les ondes d'illumination non-coplanaires, le microscope 100 comprend une matrice de micro-miroirs 112 (« DMD ») éclairé par l'onde 110.
Le DMD 112 est configuré pour afficher à tour de rôle un premier motif 112i, puis un deuxième motif 1122, lesdits deux motifs 112i et 1122 étant non-parallèles entre eux. En particulier, chacun des motifs 112I-1122 est formé par une série de lignes parallèles entre-elles, et perpendiculaires à celles formant l'autre des motifs 112I- 1122.
Pour le motif vertical 112i, la réflexion de l'onde 110 sur le DMD 112 génère plusieurs ondes d'illumination parmi lesquelles :
- une onde, notée OIi°, correspondant à l'ordre de diffraction 0 du DMD 112 ;
- une onde, notée Olf1, correspondant à l'ordre de diffraction -1 du DMD 112 ; et
- une onde, notée OIi+1, correspondant à l'ordre de diffraction +1 du DMD 112 ;
Ces trois ondes OIi°, OIi+1, et Olf1 sont utilisées comme onde d'illumination de l'objet 102. Ces trois ondes d'illumination OIi°, OIi+1, et Olf1 sont émises de manière simultanée et sont coplanaires.
De manière similaire, pour le motif 1122, la réflexion de l'onde 110 sur le DMD 112 génère plusieurs ondes parmi lesquelles :
- une onde, notée OI2°, correspondant à l'ordre de diffraction 0 du DMD 112 ;
- une onde, notée OI2 _1, correspondant à l'ordre de diffraction -1 du DMD 112 ; et
- une onde, notée OI2 +1, correspondant à l'ordre de diffraction +1 du DMD 112 ;
Ces trois ondes OI2°, OI2 +1, et OI2 _1 sont aussi utilisées comme onde d'illumination de l'objet 102.
Les trois ondes d'illumination OI2°, OI2 +1, et OI2 _1 obtenues à partir du motif 1122 sont coplanaires entre-elles et sont émises de manière simultanées.
Cependant, les trois ondes d'illumination OI2°, OI2 +1, et OI2 _1 obtenues à partir du motif 1122, ne sont pas coplanaires avec les trois ondes d'illumination OIi°, OIi+1, et Olf1 obtenues à partir du motif 112i. De plus, les ondes d'illumination OIi°, OIi+1, et Olf1 sont émises avant les ondes d'illumination OI2°, OI2 +1, et OI2 _1.
Par conséquent, l'objet 102 est éclairé avec un premier et un deuxième groupes d'ondes d'illumination, à tour de rôle. Les ondes d'illumination du premier groupe ne sont pas coplanaires avec celles du deuxième groupe.
Sur la FIGURE 1, la référence OI+1 désigne soit l'onde OIi+1 soit l'onde OI2 +1 en fonction du motif affiché par le DMD. Le même raisonnement s'applique par analogie aux références OG1 et OI° utilisées sur la FIGURE 1.
Pour l'acquisition d'une même image, le DMD 112 est configuré pour alterner au moins une fois les motifs 112i et 1122 de sorte à afficher au total au moins une fois chaque motif 112I-1122. Dans ce cas, l'objet 102 est illuminé, à tour de rôle, au moins une fois :
- avec les ondes d'illuminations OIi°, OIi+1 et Olf1 simultanément ; et
- avec les ondes d'illuminations OI2°, OI2 +1 et OI2 _1 simultanément.
Bien entendu, chaque motif 112I-1122 peut être affiché plusieurs fois, comme il sera décrit plus loin en référence à la FIGURE 2a.
Dans le microscope 100 de la FIGURE 1, avant d'atteindre l'objet 102, chaque onde d'illumination 01 sortant du DMD 112 :
- traverse une lentille 114 et un zoom 116 : la lentille 114 et le zoom 116 permettent le conditionnement du faisceau provenant du DMD 112. Ils permettent d'une part de projeter l'image du DMD 112 dans le plan de l'objet 102 et dans le plan du capteur numérique 126 utilisé. Ils permettent l'ajustement et d'adaptation des grossissements de l'image du DMD 112 dans le plan de l'objet 102, et l'ajustement des angles des faisceaux issus du DMD 112 dans le plan de l'objet 102. Le zoom 116 peut être disposé avant ou après la lentille 114 et les ondes d'illumination peuvent éventuellement se croiser entre le zoom 116 et l'objectif d'imagerie 122 ; d'autres éléments optiques (objectif, lentilles, miroirs) peuvent être ajoutés ou être déjà présent dans le microscope avant ou après le zoom 116 et l'objectif d'imagerie 122 ;
- est réfléchie sur un miroir réfléchissant 118 dirigé vers l'objet 102 ; et
- peut traverser un condenseur 120 qui permet, en remplaçant l'illumination laser par une source à lumière blanche, de rendre le dispositif compatible avec le fonctionnement habituel d'un microscope en illumination champ clair.
Chaque onde d'illumination 01 provoque l'émission par l'objet 102 d'au moins une onde, dite objet, notée 00. Chaque onde objet 00 émis par l'objet 102 traverse un objectif d'imagerie 122 permettant d'agrandir l'image et d'améliorer la résolution de l'image. Le microscope 100 comprend en outre un cube séparateur 124, servant de miroir semi-transparent, recevant d'une part l'onde de référence OR et chaque onde objet 00, et les diriger vers un capteur numérique photosensible 126.
En particulier, le cube séparateur 124 réfléchit l'onde de référence OR vers le capteur numérique 126 et transmet chaque onde objet 00.
Le capteur numérique photosensible 126 a pour fonction de détecter la figure d'interférence entre l'onde référence OR et chaque onde objet 00 émise par l'objet 102 pour chacun des au moins trois ondes d'illumination. Le capteur numérique 126 peut être, par exemple, un capteur CCD, un capteur CMOS, un capteur Foveon, etc.
De plus, de manière connue dans l'imagerie holographique, chaque onde d'illumination provoque trois ordres d'interférences au niveau du capteur numérique 126 : à savoir une interférence d'ordre 0, une interférence d'ordre +1 et une interférence d'ordre -1.
Pour décaler les ordres d'interférence +1 et -1 du centre de l'hologramme de Fourier, le cube séparateur 124 est décalé angulairement.
Les FIGURES 2a-2d sont des représentations schématiques d'un exemple d'utilisation du dispositif 100 de la FIGURE 1.
Sur la FIGURE 2a, la flèche 202 représente le temps.
Les références 204 et 206 désignent, chacune, une capture réalisée par le capteur 126.
Ainsi, pour chaque image 204 et 206, on comprend que le DMD 112 est commandé pour afficher à tour de rôle, et de manière alternée, quatre fois chacun des motifs 112I- 1122. La FIGURE 2b montre la figure d'interférence obtenue par le capteur 126 à chaque affichage du motif 112i sur le DMD 112.
Les trois tâches 208 correspondent aux interférences d'ordre -1 obtenues pour chacune des ondes d'illumination OIi°, OIi+1 et Olf1. Les tâches 210 correspondent à l'ordre d'interférence +1 obtenu pour chacune des ondes d'illumination OIi°, OIi+1 et Olf1, et les tâches 212 correspondent à l'ordre d'interférence 0 obtenu pour chacune des ondes d'illumination OIi°, OIi+1 et Olf1.
Généralement les tâches 208 sont nettes et sont utilisées pour la génération de l'image holographique alors que les tâches 210 et 212 ne sont pas utilisées pour la génération de l'image holographique de l'objet 102, et sont éliminées.
La FIGURE 2c montre la figure d'interférence obtenue par le capteur 126 à chaque affichage du motif 1122 sur le DMD 112.
Les trois tâches 214 correspondent aux interférences obtenues pour chacune des ondes d'illumination OI2°, OI2 +1 et OI2 _1. Les tâches 216 correspondent à l'ordre d'interférence +1 obtenu pour chacune des ondes d'illumination OI2°, OI2 +1 et OI2 \ et les tâches 218 correspondent à l'ordre d'interférence 0 obtenu pour chacune des ondes d'illumination OI2°, OI2 +1 et Oΐ
Généralement les tâches 214 sont nettes et sont utilisées pour la génération de l'image holographique alors que les tâches 216 et 218 ne sont pas utilisées pour la génération de l'image holographique de l'objet 102, et sont éliminées.
La FIGURE 2d montre la figure d'interférence totale obtenue pour les deux motifs 112I-1122 pour chaque 204 ou 206.
C'est cette figure d'interférence qui est ensuite utilisée pour générer une image de l'objet 102. En particulier, comme indiqué plus haut, seule les interférences d'ordre -1, matérialisées par les tâches 208 et 214 sont utilisées. La FIGURE 3 est une représentation schématique d'un deuxième exemple de réalisation non limitatif d'un microscope selon l'invention.
Le microscope 300, représenté sur la FIGURE 3, comprend tous les éléments du microscope 100 de la FIGURE 1 sauf la lentille 114, le zoom 116 et le condenseur 120.
A la différence du microscope 100 de la FIGURE 1, dans le microscope 300 de la FIGURE 3, le DMD 112 est programmé pour afficher à tour de rôle trois motifs, à savoir le motif 112i, puis le motif 1122 et enfin un motif 1123 qui n'est pas parallèle aux motifs 112i et 1122. En particulier, le motif 1123 est formé par des lignes, parallèles entres elles, et formant un angle de 45° avec les lignes formant le motif 112i et avec les lignes formant le motif 1122.
De plus, le microscope 300 comprend trois miroirs 302-306, présentant des inclinaisons différentes, et positionnés pour réfléchir une seule et unique onde d'illumination 01 pour chaque motif affiché par le DMD 112. Autrement dit, pour chaque motif, seul un ordre de diffraction renvoyé par le DMD 112 est réfléchi vers l'objet 102.
Par exemple, le miroir 302 peut être positionné pour réfléchir uniquement l'onde, notée Of1, provenant du DMD 112 et correspondant à d'ordre « -1 » réfléchie par le DMD 112 pour le motif 112i. Les ondes d'ordre 0, notée Oi°, et d'ordre +1, notée Oi+1, réfléchies par le DMD 112 ne sont pas dirigées vers l'objet 102 et n'éclairent pas l'objet 102.
De manière similaire, le miroir 304 peut être positionné pour sélectionner uniquement l'onde d'ordre « -1 », notée 02 \ réfléchie par le DMD 112 pour le motif 1122, et le miroir 306 peut être positionné pour sélectionner uniquement l'onde d'ordre « -1 », notée 03 _1, réfléchie par le DMD 112 pour le motif 1123.
Ainsi, dans le microscope 300 de la FIGURE 3, l'objet 102 est illuminé par trois ondes d'illumination émises à tour de rôle, et qui ne sont pas coplanaires. Les FIGURES 4a-4b sont des représentations schématiques d'un exemple d'utilisation du dispositif 300 de la FIGURE 3.
Sur la FIGURE 4a, la flèche 402 représente le temps.
Les références 404 et 406 désignent chacune à une capture réalisée par le capteur 126.
Ainsi, pour chaque capture 404 et 406, on comprend que le DMD 112 est commandé pour afficher à tour de rôle trois fois une alternance des trois motifs 112I-1123 de sorte que lesdits motifs sont affichés à tour de rôle et que chaque motif 112I-1123 est affiché trois fois.
La FIGURE 4b montre la figure d'interférence totale obtenue par le capteur 126 pour chaque capture 404 ou 406.
Les trois tâches 408 correspondent aux interférences d'ordre -1 obtenues pour les trois ondes d'illumination Olf1, OI2' 1 et OI3 _1. Ces tâches sont généralement nettes et sont utilisées pour la génération de l'image holographique.
Les trois tâches 410 correspondent à l'ordre d'interférence +1 obtenue pour les trois ondes d'illumination Olf1, OI2' 1 et OI3 _1. Ces tâches 410 sont généralement pas nettes et ne sont pas utilisées pour la génération de l'image holographique.
La tâche 412 correspond à l'ordre d'interférence 0 obtenue pour les trois ondes d'illumination Olf1, OI2' 1 et OI3 _1. Cette tâche n'est généralement pas nette et n'est pas utilisée pour la génération de l'image holographique.
La FIGURE 5 est une représentation schématique d'un troisième exemple de réalisation non limitatif d'un microscope selon l'invention.
Le microscope 500, représenté sur la FIGURE 4, comprend tous les éléments du microscope 300 de la FIGURE 3, sauf le DMD 112.
A la place du DMD, le microscope 500 comprend une série de trois miroirs 502-506 alignés dans la direction de l'onde 110 et présentant des inclinaisons différentes entre-elles.
Le miroir 502 est un miroir semi-réfléchissant. Il réfléchit une partie de l'onde 110, comme une première onde d'illumination, notée OIi, vers le miroir 302 qui la dirige vers l'objet 102. Le miroir 502 laisse passer une partie de l'onde incidente 110 vers le miroir 504.
Le miroir 504 est un miroir semi-réfléchissant. Il réfléchit une partie de l'onde provenant du miroir 502, comme une deuxième onde d'illumination, notée OI2, vers le miroir 304 qui la dirige vers l'objet 102. Le miroir 504 laisse passer une partie de l'onde incidente 110 vers le miroir 506.
Le miroir 506 est un miroir totalement réfléchissant. Il réfléchit toute l'onde provenant du miroir 504, comme une troisième onde d'illumination, notée OI3, vers le miroir 306, qui la dirige vers l'objet 102.
Ainsi, on obtient trois ondes d'illumination OIi-OI3 non coplanaires, et simultanées.
La FIGURE 6 montre la figure d'interférence totale obtenue par le capteur 126 avec le microscope 500 de la FIGURE 5.
Les trois tâches 602 correspondent aux interférences d'ordre -1 obtenues pour les trois ondes d'illumination OIi, OI2 et OI3. Ces tâches 602 sont généralement nettes et sont utilisées pour la génération de l'image holographique.
Les tâches 604 correspondent à l'ordre d'interférence +1 obtenue pour les trois ondes d'illumination OIi, OI2 et OI3. Ces tâches 604 sont généralement pas nettes et ne sont pas utilisées pour la génération de l'image holographique.
Les sept tâches 606 correspondent à l'ordre d'interférence 0 obtenue pour les trois ondes d'illumination OIi, OI2 et OI3. Ces tâches 606 sont généralement pas nettes et ne sont pas utilisées pour la génération de l'image holographique.
La FIGURE 7 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un ensemble d'imagerie selon l'invention. L'ensemble d'imagerie 700 comprend un microscope selon l'invention 702, qui peut être par exemple l'un quelconque des microscopes 100, 300 ou 500 des FIGURES 1, 3 et 5.
L'ensemble d'imagerie 700 comprend un module 704 de génération d'image holographique. Ce module 704 est configuré pour construire une image holographique tridimensionnelle de l'objet à partir de la figure d'interférence totale acquise par le capteur numérique pout chaque acquisition. Cette figure d'interférence est par exemple celle représentée en FIGURE 2d, ou en FIGURE 4b ou encore en FIGURE 6, pour chaque image.
L'ensemble d'imagerie 700 peut en outre comprendre un module 706 de génération d'une vidéo holographique. Ce module 706 est configuré pour générer une vidéo à partir des images fournies par le module de génération d'image 704.
Chacun des modules de génération d'image 704 et de génération de vidéo 706 peut être réalisé par un composant électronique physique, de type processeur ou puce électronique, ou par un programme informatique.
Les modules de génération d'image 704 et de génération de vidéo 706 peuvent être intégrés dans un même composant/programme, ou dans des composants/programmes indépendants.
Au moins l'un des modules de génération d'image 704 et de génération de vidéo 706 peut être local ou distant du microscope 702.
La FIGURE 8 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un procédé selon l'invention.
Le procédé 800, représenté sur la FIGURE 8, comprend une étape 802 d'acquisition d'une figue d'interférence de l'objet.
L'étape 802 comprend une étape 804 d'illumination de l'objet avec aux moins trois ondes d'illumination non-coplanaires. Cette étape d'illumination 804 peut utiliser plus de trois onde d'illuminations, tant que l'une au moins de ces ondes n'est pas coplanaire avec les autres ondes.
De plus, l'étape d'illumination 804 peut être réitérée à plusieurs reprises, comme décrit par exemple en référence aux FIGURES 2a et 4a. L'étape d'acquisition 802 comprend une étape 806 de détection et de mémorisation d'une figure d'interférence obtenue pour toutes les illuminations réalisées lors de l'étape d'illumination 804.
L'étape d'acquisition 802 peut être réalisée une seule et unique fois lorsqu'on souhaite réaliser une seule image holographique de l'objet.
Alternativement, l'étape d'acquisition 802 peut être réitérée à une fréquence donnée lorsqu'on souhaite réaliser plusieurs images holographiques, en particulier pour réaliser une vidéo holographique de l'objet.
La fréquence d'itération de l'étape d'acquisition 802 peut être supérieure ou égale à 24 images par secondes.
Suite à l'étape d'acquisition 802, le procédé 800 comprend une étape 808 de construction numérique d'une image holographique de l'objet.
Cette étape de construction 808 est réalisée, à tour de rôle, pour chaque figure d'interférence mémorisée lors de chaque étape d'acquisition.
L'étape de construction 808 comprend plusieurs itérations d'une phase 810, dite de nettoyage. Chaque itération de la phase de nettoyage 810 comprend les étapes suivantes.
Une étape 812 génère une ou plusieurs séries images à partir de la figure d'interférence, à savoir :
- une seule série d'images, à partir de la figure d'interférence fournie par l'étape d'acquisition 802 et correspondant à la somme de toutes les illuminations, sans sélection des illuminations ; et/ou
- au moins trois séries d'images, chacune des au moins trois séries étant obtenue en sélectionnant dans la figure d'interférence fournie par l'étape d'acquisition 802 le signal holographique correspondant à l'une des ondes d'illuminations, et donc à une des directions d'illumination
Dans chaque série d'images, chaque image correspondant à une profondeur différente par rapport au plan du capteur numérique. Chaque série d'images obtenue à l'étape 812 est convertie en une matrice d'intensités tridimensionnelle lors d'une étape 814. L'étape 814 fournit donc autant de matrices d'intensité que de série d'images générées lors de l'étape 812.
Une étape 816 réalise alors une sélection d'au moins un point brillant à partir de la ou des matrices d'intensités tridimensionnelles, selon l'une des techniques décrites plus haut.
Lors d'une étape 818, le(s) champ(s) rayonné(s) par le ou les points sélectionnés lors de l'étape 816 est (sont) supprimés de la figure d'interférence, pour une nouvelle itération de la phase de nettoyage 810. Eventuellement, l'étape de suppression 818 peut comprendre une normalisation de la brillance, ou un ajustement de gain, du ou des points brillants sélectionnés, et du ou des champs rayonnés qui en résultent, de manière à ce qu'après suppression des champs rayonnés, l'énergie restante dans la figure d'interférence soit minimale.
La phase de nettoyage 810 est réalisée autant de fois que nécessaire, et en particulier jusqu'à ce que l'énergie de la figure d'interférence ait été suffisamment réduite.
Suivant un premier exemple, la phase de nettoyage peut être réalisée jusqu'à ce que l'énergie totale restante dans la figure d'interférence soit inférieure ou égale à une fraction, par exemple 20%, de l'énergie totale initiale de la figure d'interférence avant le début de la phase de nettoyage.
Suivant un deuxième exemple, la phase de nettoyage peut être réalisée jusqu'à ce que l'énergie du point le plus brillant dans la figure d'interférence soit inférieure ou égale à une fraction, par exemple 1%, de l'énergie totale initiale dans la figure d'interférence avant le début de la phase de nettoyage.
Suite à toutes les itérations de la phase de nettoyage 810, les points mémorisés sont utilisés pour générer l'image holographique lors d'une étape 820. L'étape 808 est réitérée pour chaque itération de l'étape d'acquisition 802 de sorte à générer une image holographique pour chaque étape d'acquisition 802.
L'étape 808 peut en outre comprendre une étape de mémorisation de l'image holographique obtenue.
Le procédé 800 peut en outre comprendre une étape 822 générant une vidéo holographique de l'objet à partir des images holographiques réalisées par les différentes itérations de l'étape 808. Ainsi, il est possible de suivre les mouvements de l'objet dans le temps.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples détaillés ci- dessus.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé (800) d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission d'un objet (102), ledit procédé (800) comprenant :
- au moins une itération d'une étape (802) d'acquisition d'une image holographique dudit objet (102) comprenant les étapes suivantes :
- illumination (804) dudit objet (102) avec plusieurs ondes lumineuses (OI), dites ondes d'illumination, cohérentes à une onde (OR), dite de référence, chaque onde d'illumination (OI) provoquant la diffusion par ledit objet d'une onde (OO), dite onde objet,
- focalisation de chaque onde objet (00) vers au moins un capteur numérique (126) par un moyen de focalisation (122),
- détection (806) d'au moins une figure d'interférence entre les ondes objet (00) et ladite onde de référence (OR) par l'au moins un capteur numérique (126) ; et
- une étape (808) de construction numérique de ladite image holographique à partir de l'au moins une figure d'interférence ;
l'étape d'illumination (804) comprenant une émission d'au moins trois ondes d'illumination (OI) non-coplanaires pour l'acquisition d'une seule image holographique ;
caractérisé en ce que l'étape d'illumination (804) réalise une émission d'au moins deux ondes d'illumination (OIi^-OIs 1) de manière non-simultanée pour l'acquisition d'une seule image holographique.
2. Procédé (800) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape d'illumination (804) réalise une émission d'au moins deux ondes d'illumination (OI) de manière simultanée (OI1-OI3).
3. Procédé (800) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une onde d'illumination (OI) est générée par réflexion, d'une onde (110), dite onde source, sur une matrice de micro- miroirs (112).
4. Procédé (800) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape d'illumination (804) comprend les opérations suivantes :
- éclairage de la matrice de micro-miroirs (112) par l'onde source (110) ;
- commande de la matrice de micro-miroirs (112) pour obtenir, à tour de rôle, deux motifs non-parallèles (112I-1122) ; et
- sélection d'au moins un ordre de diffraction émis par ladite matrice de micro-miroirs (112) pour l'un desdits motifs ( 112I- 1122) et d'au moins deux ordres de diffraction émis par ladite matrice de micro-miroirs (112) l'autre des motifs ( 112I- 1122) .
5. Procédé (800) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape d'illumination (804) comprend les opérations suivantes :
- éclairage de la matrice de micro-miroirs (112) par l'onde source ( 110) ;
- commande de la matrice de micro-miroirs (112) pour obtenir, à tour de rôle, trois motifs non-parallèles (112I-1123) ; et
- sélection d'au moins un ordre de diffraction pour chaque motif (1121-1123) .
6. Procédé (800) selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'au moins une onde d'illumination (01) est générée par réflexion d'une onde (110), dite source, sur au moins un miroir (502-506).
7. Procédé (800) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de construction (808) de l'image holographique comprend :
■plusieurs itérations d'une phase (810), dite de nettoyage, comprenant les étapes suivantes :
- génération (812), à partir de la figure d'interférence fournie par l'étape d'acquisition (802), d'au moins une série d'images 2D, chaque image 2D correspondant à une profondeur différente par rapport au plan du capteur numérique (126) ; - pour chaque série d'images 2D, obtention (814) d'une matrice d'intensités tridimensionnelle à partir des images 2D de ladite série ; et
- sélection (816) d'au moins un point, dit point brillant, à partir de l'au moins une matrice d'intensités tridimensionnelle ;
- mémorisation (816) dudit au moins un point brillant ; et
- suppression (818) du champ rayonné par ledit au moins un point brillant dans ladite figure d'interférence pour l'itération suivante de ladite phase de nettoyage (810) ;
- élaboration (820) d'une image holographique à partir desdits points brillants mémorisés lors de ladite phase de nettoyage.
8. Procédé (800) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs itérations de l'étape d'acquisition (802) à une fréquence supérieure ou égale à 24 images par secondes, ledit procédé (800) comprenant en outre une étape (822) de construction d'une vidéo à partir desdites images holographiques.
9. Microscope (100;300;500) d'imagerie holographique numérique hors axe en transmission, comprenant :
- des moyens (112;502-506) d'illumination d'un objet (102) avec plusieurs ondes lumineuses (01), dites ondes d'illumination, cohérentes à une onde (OR), dite de référence, chaque onde d'illumination provoquant la diffusion par ledit objet (102) d'une onde (00), dite onde objet ;
- au moins un moyen (122) de focalisation de chaque onde objet (00) vers un capteur numérique (126) ; et
- au moins un capteur numérique (126) d'au moins une figure d'interférence entre les ondes objet (00) et ladite onde de référence (OR) ;
lesdits moyens d'illumination (112;502-106) étant agencés pour émettre au moins trois ondes d'illumination non-coplanaires pour l'acquisition d'une seule image holographique. caractérisé en ce que lesdits moyens d'illumination (112;502-106) sont agencés pour émettre au moins deux ondes d'illumination (OIi^-OIs 1) de manière non-simultanée.
10. Microscope (100;300) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens d'illumination comprennent une matrice de micro-miroirs (112) configuré pour afficher au moins deux motifs ( 112I- 1123) non- parallèles pour l'acquisition de chaque image holographique.
11. Microscope (500) selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens d'illumination comprennent :
- au moins deux miroirs semi-réfléchissants (502,504) présentant des inclinaisons différentes ; et
- au moins un miroir réfléchissant (506), alignés avec lesdits miroirs semi-réfléchissants (502,504) et présentant une inclinaison différente desdits miroirs semi-réfléchissants (502,504).
12. Microscope (100;300;500) selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend une source laser (104) fournissant une onde (106,110), dite source, à partir de laquelle sont obtenues l'onde de référence (OR) et les ondes d'illumination (01).
13. Ensemble (700) d'imagerie holographique numérique comprenant :
- un microscope (702) selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, et
- au moins un module numérique (704) de construction d'une image holographique à partir d'au moins une figure d'interférence fournie par ledit microscope (702).
14. Ensemble (700) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un module (706) de génération d'une vidéo holographique à partir des images holographiques fournies par le module (704) de construction d'image holographique.
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