EP4377733A1 - Lighting system, in particular for use in microscopy - Google Patents

Lighting system, in particular for use in microscopy

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EP4377733A1
EP4377733A1 EP22744787.7A EP22744787A EP4377733A1 EP 4377733 A1 EP4377733 A1 EP 4377733A1 EP 22744787 A EP22744787 A EP 22744787A EP 4377733 A1 EP4377733 A1 EP 4377733A1
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EP
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light source
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sources
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EP22744787.7A
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Yaneck Gottesman
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Institut Mines Telecom IMT
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Institut Mines Telecom IMT
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Abstract

The invention relates to a lighting system 1, intended in particular to be installed in a microscope or a microscopic imaging device, comprising a plurality of light sources 2 arranged in plane regions defining a solid space intersecting a reference axis Z which passes through a reference point Pr of the system.

Description

Description Description
Titre : Système d’éclairage, notamment à usage de microscopie Domaine technique Title: Lighting system, in particular for use in microscopy Technical field
La présente invention concerne un système d’éclairage destiné notamment à être inclus dans un microscope, et les microscopes comportant un tel système. The present invention relates to an illumination system intended in particular to be included in a microscope, and the microscopes comprising such a system.
La microscopie optique regroupe un ensemble vaste de techniques utilisées pour observer et analyser des objets à des échelles microscopiques. Ces techniques très variées sont développées depuis plusieurs siècles. Elles fournissent avantageusement une source optique d’excitation d’échantillons biologiques pour acquérir des données enrichies sur ces échantillons, telles que des informations morphologiques, en permettant la super-résolution, le traitement optique des images et/ou la tomographie optique. Optical microscopy brings together a vast set of techniques used to observe and analyze objects at microscopic scales. These very varied techniques have been developed for several centuries. They advantageously provide an optical source of excitation of biological samples to acquire enriched data on these samples, such as morphological information, by allowing super-resolution, optical image processing and/or optical tomography.
Technique antérieure Prior technique
Les microscopes connus reposent sur une architecture comprenant un statif, un objectif de microscope, un système d’éclairage, et un capteur photosensible, pouvant être une caméra ou l’œil. Ce type de microscopes est employé pour une observation directe des tissus biologiques dans le domaine médical, à des fins notamment de diagnostic ou d’observation. Il ne nécessite que des pièces à complexité limitée, permet une interprétation des images par son utilisateur, par exemple un médecin, un anatomopathologiste ou tout autre spécialiste, et ne pose que peu de contraintes quant à l’environnement de travail. Néanmoins, la variabilité des tissus biologiques et la multiplicité des savoir-faire locaux, notamment en ce qui concerne la préparation des échantillons spécifique à chaque laboratoire, ou l’œil de l’expert, rendent délicate G universalité des paramètres de réglage des outils numériques pouvant être associés à ce type de microscopes. En outre, un tel type de microscopes ne permet pas d’observer avec une résolution importante une grande surface d’échantillon, ainsi plus l’on cherche à obtenir des détails fins sur l’échantillon, plus la surface observée est petite. Cela ne permet pas une analyse globale et précise des tissus. Known microscopes are based on an architecture comprising a stand, a microscope objective, a lighting system, and a photosensitive sensor, which can be a camera or the eye. This type of microscope is used for direct observation of biological tissues in the medical field, in particular for diagnostic or observation purposes. It only requires parts of limited complexity, allows interpretation of the images by its user, for example a doctor, an anatomopathologist or any other specialist, and poses few constraints as to the working environment. Nevertheless, the variability of biological tissues and the multiplicity of local know-how, in particular with regard to the preparation of samples specific to each laboratory, or the eye of the expert, make it delicate G universality of the adjustment parameters of digital tools that can be associated with this type of microscopes. In addition, such a type of microscope does not make it possible to observe a large sample surface with high resolution, so the more one seeks to obtain fine details on the sample, the smaller the surface observed. This does not allow a global and precise analysis of the tissues.
La microscopie par holographie numérique est une technique d’enregistrement de données particulièrement riche et sensible. Bien au-delà de la simple observation des tissus, l’objectif de cette technique est d’enregistrer des informations quantitatives sur les propriétés optiques des tissus. Contrairement aux techniques d’observations directes, la caractérisation physique de l’échantillon est ici mesurée à partir d’images. Différents traitements mathématiques et modèles physiques sont alors utilisés pour accéder à différentes propriétés du tissu, comme l’épaisseur optique, la morphologie 3D du tissu, ou ses anisotropies optiques. Ces informations quantitatives une fois isolées permettent à leur tour d’alimenter différents modèles optiques et biologiques à partir desquels les représentations recherchées du tissu seront formées, telles que des images, une cartographie de l’indice optique, une représentation en volume, par exemple en tomographie. Un simple enregistrement permet une multiplicité de représentations qui dépend principalement du cadre d’abstraction ou de la formulation du problème direct mis en place. L’acquisition des données repose sur un système interférométrique, qui peut intégrer des objectifs de microscope ou en être dépourvu, ou, dans le cas des microscopes par holographie en ligne, ne comporter aucun interféromètre. Pour être utilisables, ces microscopes doivent être installés dans un environnement bien contrôlé, fournissant une stabilité thermique et mécanique. Digital holography microscopy is a particularly rich and sensitive data recording technique. Far beyond the simple observation of tissues, the objective of this technique is to record quantitative information on the optical properties of tissues. Unlike direct observation techniques, the physical characterization of the sample is here measured from images. Different mathematical treatments and physical models are then used to access different properties of the tissue, such as the optical thickness, the 3D morphology of the tissue, or its optical anisotropies. This quantitative information, once isolated, in turn makes it possible to feed various optical and biological models from which the desired representations of the tissue will be formed, such as images, a cartography of the optical index, a representation in volume, for example in tomography. A simple registration allows a multiplicity of representations which mainly depends on the framework of abstraction or the formulation of the direct problem set up. Data acquisition is based on an interferometric system, which can incorporate microscope objectives or not, or, in the case of on-line holographic microscopes, not include any interferometer. To be usable, these microscopes must be installed in a well-controlled environment, providing thermal and mechanical stability.
La microscopie par Ptychographie dans le domaine de Fourier (FPM pour « Fourier Ptychographie Microscopy » en anglais) est une technique de microscopie très récente, développée initialement dans le domaine de la microscopie électronique il y a près d’une vingtaine d’année et transposée en 2013 en régime optique, comme décrit dans l’article de Zheng et al « Wide-field, high-resolution Fourier ptychographie microscopy », Nature Photonics, vol. 7 n° 9, pages 739-745, 2013. Cette technique s’appuie sur une architecture traditionnelle de microscope, sauf que la source d’éclairage, pour l’excitation de l’échantillon, est constituée par une matrice de diodes électroluminescentes ou LEDs. Suivant la direction de l’onde plane utilisée pour exciter l’échantillon, dépendant du choix de la LED allumée, l’objectif du microscope collecte une partie du champ électromagnétique diffusé, issu de l’interaction entre la source et l’échantillon, et dont l’inclinaison est suffisamment faible pour pouvoir être collectée. Ce champ est enregistré par un détecteur matriciel photosensible, par exemple une caméra à transfert de charge (CCD) ou à capteur CMOS (« complementary metal-oxide-semiconductor » en anglais). Microscopy by Ptychography in the Fourier domain (FPM for "Fourier Ptychography Microscopy" in English) is a very recent microscopy technique, initially developed in the field of electron microscopy nearly twenty years ago and transposed in 2013 in the optical regime, as described in the article by Zheng et al “Wide-field, high-resolution Fourier ptychography microscopy”, Nature Photonics, vol. 7 No. 9, pages 739-745, 2013. This technique is based on a traditional microscope architecture, except that the source of illumination, for the excitation of the sample, consists of a matrix of light-emitting diodes or LEDs. Depending on the direction of the plane wave used to excite the sample, depending on the choice of the lit LED, the microscope objective collects part of the scattered electromagnetic field, resulting from the interaction between the source and the sample, and whose inclination is low enough to be collected. This field is recorded by a photosensitive matrix detector, for example a charge transfer camera (CCD) or CMOS sensor (“complementary metal-oxide-semiconductor”).
Seule l’intensité du champ pouvant être enregistrée dans le domaine optique, la phase est inévitablement perdue, mais elle peut être reconstruite numériquement, de façon similaire à ce qui est réalisé en holographie numérique, grâce à différentes techniques d’optimisation mathématiques et l’exploitation de l’intensité des différents champs Ij(x,y) enregistrés pour les j différentes diodes Dj allumées successivement. L’algorithme de Gershberg-Saxton permet par exemple de déduire la fonction de phase c|j(x,y) du champ électromagnétique en appliquant une contrainte dans l’espace de Fourrer et en minimisant une fonction d’erreur globale. Cette dernière est utilisée pour construire dans l’espace de Fourrer une fonction de phase F issue des différents fr La fonction d’erreur est choisie en fonction de la formulation du problème direct choisi et associé au processus de mesure. Only the field intensity can be recorded in the optical domain, the phase is inevitably lost, but it can be reconstructed digitally, similar to what is achieved in digital holography, thanks to different mathematical optimization techniques and the exploitation of the intensity of the various fields I j (x,y) recorded for the j different diodes D j lit successively. The Gershberg-Saxton algorithm allows for example to deduce the phase function c| j (x,y) of the electromagnetic field by applying a constraint in Fourrer space and minimizing a global error function. The latter is used to construct in Fourrer space a phase function F resulting from the different fr The error function is chosen according to the formulation of the direct problem chosen and associated with the measurement process.
L’objectif de microscope est quant à lui modélisé par un filtre passe-bande. Dans l’espace de Fourrer, son gabarit est un disque de rayon de pulsation spatiale The microscope objective is modeled by a band-pass filter. In Fourrer space, its template is a disc of space pulsation radius
2p·NA 2p NA
R = — - — où NA représente l’ouverture numérique de l’objectif du microscope,R = — - — where NA represents the numerical aperture of the microscope objective,
A l la longueur d’onde utilisée. A l the wavelength used.
Son centre a pour coordonnées Cj = ( kx J, ky ] ) avec k et ky J les composantes du vecteur k suivant les axes x et y relatif à la jeme onde plane excitatrice associée à la diodeIts center has coordinates C j = ( k x J , ky ] ) with k and k y J the components of the vector k along the x and y axes relative to the j th exciting plane wave associated with the diode
DJ· DJ ·
La fonction de phase c|j(x,y) répond à la contrainte suivante : la transformée de Fourrer T de l’intensité telle que mesurée par la caméra, doit être incluse dans un disque de rayon lié à l’ouverture numérique de l’objectif du microscope et centré en Cj. The phase function c| j (x,y) satisfies the following constraint: the Fourrer transform T of the intensity as measured by the camera, must be included in a ray disc related to the numerical aperture of the microscope objective and centered at Cj.
Pour être en mesure de reconstruire correctement la fonction de phase F, un échantillonnage dans l’espace de Fourrer suffisamment régulier doit être effectué, comme expliqué dans l’article de Zheng et al mentionné ci-dessus. L’échantillonnage utilisé doit être tel que le recouvrement entre les filtres passe-bande relatifs à chaque diode est de l’ordre de 60%. Les diodes sont allumées une à une, et pour chaque diode, un cliché de l’échantillon est enregistré. Les images sont ensuite combinées numériquement dans l’espace de Fourrer de façon séquentielle suivant un parcours bien déterminé, par exemple à travers l’algorithme de Gershberg-Saxton, décrit notamment dans l’article de J. R. Fienup, « Phase retrieval algorithms: a comparison », Applied Optics, vol. 21, n° 15, page 2758, 1982. Cela permet de reconstruire progressivement le spectre complexe de l’échantillon sur une région bien plus étendue que celle originellement couverte par l’ouverture numérique de l’objectif du microscope. La limite de résolution théorique associée au processus d’imagerie effectué par le microscope est ainsi dépassée. Elle se calcule à partir de Rsynth où Rsynth désigne le rayon du disque le plus grand inscrit dans la région spectrale reconstruite de F. Pour un microscope conventionnel, le produit du champ de vue par la résolution, qui renseigne sur la capacité du microscope à observer un échantillon sur un grand champ de vue, correspondant à la surface observable, avec une bonne résolution, est limité. Ce produit ne peut dépasser une valeur maximale principalement définie par l’ouverture numérique de l’objectif, la longueur d’onde de travail, la surface de surface sensible de la caméra, la taille de chaque photorécepteur qui le compose. Cette limite théorique est repoussée de façon très substantielle en FPM. To be able to correctly reconstruct the phase function F, a sufficiently regular sampling in the Fourrer space must be performed, as explained in the article by Zheng et al mentioned above. The sampling used must be such that the overlap between the band-pass filters relating to each diode is of the order of 60%. The diodes are lit one by one, and for each diode, a snapshot of the sample is recorded. The images are then digitally combined in Fourrer space sequentially following a well-defined path, for example through the Gershberg-Saxton algorithm, described in particular in the article by JR Fienup, "Phase retrieval algorithms: a comparison », Applied Optics, vol. 21, No. 15, page 2758, 1982. This makes it possible to gradually reconstruct the complex spectrum of the sample over a much larger region than that originally covered by the numerical aperture of the microscope objective. The theoretical resolution limit associated with the imaging process performed by the microscope is thus exceeded. It is calculated from R synt h where Rsynth designates the radius of the largest disk inscribed in the reconstructed spectral region of F. For a conventional microscope, the product of the field of view by the resolution, which provides information on the ability of the microscope to observe a sample over a large field of view, corresponding to the observable surface, with good resolution, is limited. This product cannot exceed a maximum value mainly defined by the numerical aperture of the objective, the working wavelength, the sensitive surface area of the camera, the size of each photoreceptor that composes it. This theoretical limit is pushed back very substantially in FPM.
La fonction de phase reconstruite grâce à G utilisation de la FPM donne accès à des propriétés inaccessibles aux microscopes conventionnels. En outre, dans ces derniers, les échantillons transparents ne sont pas facilement observables et demandent l’utilisation de colorants ou marqueurs, éléments chimiques dénaturant les tissus et ne permettant donc plus d’observer le fonctionnement naturel des cellules. Ils rendent également impropres G utilisation du même échantillon pour d’autres techniques d’analyse, par exemple la spectro scopie Raman. The reconstructed phase function using FPM gives access to properties inaccessible to conventional microscopes. In addition, in the latter, the transparent samples are not easily observable and require the use of dyes or markers, chemical elements denaturing the tissues and therefore no longer allowing the natural functioning of the cells to be observed. They also make it unsuitable to use the same sample for other analysis techniques, for example Raman spectroscopy.
La plupart des techniques de manipulation du signal développées dans le cadre général de l’optique électromagnétique étant transposable à la FPM, les limites conventionnelles, comme la compensation des aberrations chromatiques des objectifs ou les aberrations du front d’onde par optique adaptative numérique, et la compensation des erreurs de mise au point, peuvent être dépassées sur bien des aspects. En outre, sous réserve que la phase reconstruite est quantitative, la formulation en problème inverse du champ électromagnétique complexe et sa résolution permettent une reconstruction tomographique et l’accès à la structure en trois dimensions (3D) du tissu biologique et de ses différents composants. Most of the signal manipulation techniques developed in the general framework of electromagnetic optics being transposable to the FPM, the conventional limits, such as the compensation of the chromatic aberrations of the objectives or the aberrations of the wavefront by digital adaptive optics, and compensation for focusing errors, can be exceeded in many respects. In addition, provided that the reconstructed phase is quantitative, the inverse problem formulation of the complex electromagnetic field and its resolution allow tomographic reconstruction and access to the three-dimensional (3D) structure of the biological tissue and its various components.
Néanmoins, le facteur de super-résolution g étant défini par le rapport g = Rsynth/R, plus le rapport recherché est élevé, plus l’ouverture synthétique désirée doit être importante. Au-delà d’un facteur 2, des acquisitions de l’échantillon en condition de champ sombre deviennent alors inévitables. Cette condition impose une inclinaison des faisceaux incidents avec un angle Q non nul par rapport à la normale. En outre, plus la dynamique recherchée est importante, plus le temps effectif requis pour l’acquisition des clichés devient important, temps qui s’ajoute au temps nécessaire pour réaliser les calculs pour la reconstruction de la phase. Les ordres de grandeurs connus dépassent la minute pour l’acquisition et quelques minutes pour les calculs. Ces temps de mesure limitent l’accès aux propriétés dynamiques des échantillons. Par ailleurs, et pour des tissus statiques, par exemple des lames fixées, la productivité d’un microscope FPM est trop faible pour être facilement utilisée pour des applications de diagnostic médical. Nevertheless, the super-resolution factor g being defined by the ratio g=Rsynth/R, the higher the desired ratio, the greater the desired synthetic aperture must be. Beyond a factor of 2, acquisitions of the sample in dark field conditions then become inevitable. This condition imposes an inclination of the incident beams with a non-zero angle Q with respect to the normal. In addition, the greater the dynamic range sought, the greater the effective time required for the acquisition of the images becomes, time which is added to the time necessary to carry out the calculations for the reconstruction of the phase. Known orders of magnitude exceed one minute for acquisition and a few minutes for calculations. These measurement times limit access to dynamic properties of samples. Moreover, and for static tissues, for example fixed slides, the productivity of an FPM microscope is too low to be easily used for medical diagnostic applications.
Pour réduire le temps d’acquisition et de traitement des données, une solution est de produite une excitation des échantillons avec plusieurs points-sources allumés simultanément, notamment plusieurs diodes champ-sombre comme décrit dans les articles de Tian et al « Computational illumination for high-speed in vitro Fourier ptychographic microscopy », Optica, vol. 2, n° 10, pages 904-911, 2015 et « Multiplexed coded illumination for Fourier ptychography with a LED array microscope », Biomed. Opt. Express, vol. 5, n° 7, pages 2376-2389, 2014. Cette technique fournit une reconstruction de la phase grâce à une modification de l’algorithme de calcul, et l’excitation de l’échantillon par plusieurs diodes simultanément permet d’augmenter la puissance optique reçue par le capteur et donc de diminuer le temps d’exposition utilisé. Le gain est important et permet d’obtenir des acquisitions FPM complètes à une cadence de l’ordre d’une dizaine par minute. To reduce the data acquisition and processing time, one solution is to produce an excitation of the samples with several point-sources lit simultaneously, in particular several dark-field diodes as described in the articles by Tian et al "Computational illumination for high -speed in vitro Fourier ptychographic microscopy”, Optica, vol. 2, no. 10, pages 904-911, 2015 and “Multiplexed coded illumination for Fourier ptychography with a LED array microscope”, Biomed. Opt. Express, vol. 5, n° 7, pages 2376-2389, 2014. This technique provides phase reconstruction thanks to a modification of the calculation algorithm, and the excitation of the sample by several diodes simultaneously makes it possible to increase the power optics received by the sensor and therefore to reduce the exposure time used. The gain is significant and makes it possible to obtain complete FPM acquisitions at a rate of about ten per minute.
Dans une autre technique, décrite dans l’article de Sun et al. « High-speed Fourier ptychographic microscopy based on programmable annular illuminations », Scientific Reports, (2018) 8:7669, DOI:10.1038/s41598-018-25797-8, les diodes sont spécifiquement placées sur des cercles concentriques pour respecter la symétrie de révolution des propriétés de l’objectif et assurer le maillage optimal de l’espace de Fourier. Il permet de réduire de façon importante le temps d’acquisition des images mais permet au plus de doubler la résolution des images reconstruites, le facteur de super-résolution étant volontairement limité à 2. Pour optimiser les flux optiques collectés, une unique lentille est également placée au-dessus des diodes pour concentrer la lumière excitatrice issue des différentes diodes sur l’échantillon. In another technique, described in the article by Sun et al. “High-speed Fourier ptychographic microscopy based on programmable annular illuminations”, Scientific Reports, (2018) 8:7669, DOI:10.1038/s41598-018-25797-8, the diodes are specifically placed on concentric circles to respect the symmetry of revolution of the properties of the objective and ensure the optimal meshing of the Fourier space. It significantly reduces the image acquisition time but at most doubles the resolution of the reconstructed images, the super-resolution factor being deliberately limited to 2. To optimize the optical flows collected, a single lens is also placed above the diodes to concentrate the exciting light coming from the different diodes on the sample.
Comme mentionné précédemment, le maillage de l’espace de Fourier ne peut être choisi de façon totalement arbitraire. En effet, le facteur de recouvrement des filtres relatifs à deux diodes voisines ne peut excéder une valeur limite (pour assurer une bonne convergence de l’algorithme de reconstruction). Ce recouvrement permet d’avoir une redondance d’information sur le spectre de l’échantillon. Il est utilisé pour assurer un référencement de phase adéquat sur l’ensemble du spectre (plutôt que par morceau). Cette valeur limite peut être allégée lorsque plusieurs diodes sont allumées simultanément, voire lorsque des variantes dans l’algorithme d’exploitation des données sont apportées, comme décrit dans l’article susmentionné de Tian et al « Multiplexed coded illumination for Fourier ptychography with a LED array microscope ». As mentioned previously, the mesh of the Fourier space cannot be chosen in a completely arbitrary way. Indeed, the overlap factor of the filters relating to two neighboring diodes cannot exceed a limit value (to ensure good convergence of the reconstruction algorithm). This covering makes it possible to have a redundancy of information on the spectrum of the sample. It is used to ensure proper phase referencing across the spectrum (rather than per chunk). This limit value can be reduced when several diodes are lit simultaneously, or even when variants in the data processing algorithm are made, such as described in the aforementioned article by Tian et al “Multiplexed coded illumination for Fourier ptychography with a LED array microscope”.
Dès lors et dans la mesure où l’encombrement des diodes disponibles commercialement ne peut être inférieur à la taille minimale des boîtiers utilisés pour leur packaging (généralement de forme carrée), leur espacement est contraint. L’espacement minimal entre deux diodes est de l’ordre de quelques mm pour les technologies bas coût actuelles. Cet espacement impose une condition sur la distance minimale séparant la matrice de LED de l’échantillon. Pour une ouverture numérique fixée, cette distance peut être facilement calculée par approche géométrique. Elle est imposée par les conditions de maillage de l’espace de Fourier désiré. Le facteur de super-résolution g théoriquement accessible dépend alors uniquement de la surface couverte par la matrice de diodes. Si l’ensemble des diodes utilisées permet le pavage complet d’un disque de l’espace de Fourier de rayon alors : Therefore and insofar as the size of the diodes commercially available cannot be less than the minimum size of the cases used for their packaging (generally square in shape), their spacing is constrained. The minimum spacing between two diodes is of the order of a few mm for current low-cost technologies. This spacing imposes a condition on the minimum distance separating the matrix of LEDs from the sample. For a fixed numerical aperture, this distance can be easily calculated by geometric approach. It is imposed by the mesh conditions of the desired Fourier space. The theoretically accessible super-resolution factor g then depends solely on the area covered by the matrix of diodes. If the set of diodes used allows the complete tiling of a disk of Fourier space of radius SO :
[Math 1] [Math 1]
Dans cette équation, NAsynth représente l’ouverture synthétique associée à l’arrangement des diodes utilisées, qui s’exprime, avec Q l’angle d’incidence du faisceau lumineux issu d’une des diodes périphériques : In this equation, NAsynth represents the synthetic aperture associated with the arrangement of the diodes used, which is expressed, with Q the angle of incidence of the light beam from one of the peripheral diodes:
[Math 2] [Math 2]
Ce facteur est, de manière connue, limité à environ 6 ou 7 pour une ouverture numérique NA égale à 0.1. La surface qui doit être couverte par les diodes est alors raisonnable et l’optimisation du design de la matrice des diodes est plutôt aisée dans le cas d’un unique objectif de microscope. Cette optimisation se complique toutefois dès lors que l’on cherche à utiliser une même matrice de diodes pour un microscope FPM avec différents objectifs de microscope aux ouvertures numériques distincts. La surface de la matrice qui doit alors être couverte est d’autant plus importante que l’écart entre les ouvertures numériques des différents objectifs est élevé. This factor is, in a known manner, limited to approximately 6 or 7 for a numerical aperture NA equal to 0.1. The surface that must be covered by the diodes is then reasonable and the optimization of the design of the diode matrix is rather easy in the case of a single microscope objective. However, this optimization becomes more complicated when one seeks to use the same matrix of diodes for an FPM microscope with different microscope objectives with distinct numerical apertures. The surface of the matrix which must then be covered is all the more important as the difference between the numerical apertures of the various objectives is high.
Or, dans un microscope, l’espace et la surface au sol réservée au système d’éclairage sont limités, étant de l’ordre d’une dizaine de centimètres pour la plupart des microscopes connus. Pour utiliser un même matrice de diodes pour différents objectifs, il est possible de régler leur position chaque fois que l’on change d’objectif pour optimiser les flux optiques, mais ce réglage est délicat. Il est également possible de concevoir un corps de microscope et une matrice de diodes spécifiques, ce qui nécessite de faire appel à des techniques contraignantes et coûteuses. However, in a microscope, the space and the surface on the ground reserved for the lighting system are limited, being of the order of about ten centimeters for most known microscopes. To use the same diode matrix for different purposes, it is possible to adjust their position each time the lens is changed to optimize the optical flows, but this adjustment is tricky. It is also possible to design a microscope body and a matrix of specific diodes, which requires the use of restrictive and costly techniques.
L’étude suivante permet d’identifier l’origine des limitations rencontrées pour les images en champ sombre en microscopie FPM. Des simulations ont été effectuées en réduisant progressivement la dynamique du capteur. Ces simulations ont montré que la reconstruction de la phase commence à être problématique en dessous d’une dynamique des images de 8 bits dans le cas d’une exploitation seule du champ-clair. Elle l’est également en conditions d’exploitation d’images champs-sombre avec un dynamique d’image inférieure à 10 bits. La reproduction satisfaisante des images reconstruites à partir de données expérimentales est ainsi possible, lorsque la dynamique des images expérimentales est comprise entre 8 et 12 bits. The following study identifies the origin of the limitations encountered for dark field images in FPM microscopy. Simulations were carried out by gradually reducing the dynamics of the sensor. These simulations showed that phase reconstruction begins to be problematic below an 8-bit image dynamic range in the case of only bright field exploitation. It is also valid under dark-field image operating conditions with an image dynamic range of less than 10 bits. Satisfactory reproduction of the images reconstructed from experimental data is thus possible, when the dynamic range of the experimental images is between 8 and 12 bits.
Les résultats expérimentaux obtenus avec une mire de résolution USAF comme visible aux figures 1(a) et 1(b), illustrent respectivement une image reconstruite en utilisant uniquement des diodes associées à des images champ-clair et celle reconstruite en utilisant des diodes en champ clair et en champ sombre avec une caméra 12bits. Contrairement aux résultats de simulation et théoriques attendus, aucun gain en résolution n’est constaté par comparaison entre la figure 1(a) et figure 1(b). Par ailleurs la qualité des images est dégradée sur la figure 1(b). The experimental results obtained with a USAF resolution pattern as seen in Figures 1(a) and 1(b), respectively illustrate an image reconstructed using only diodes associated with bright-field images and that reconstructed using field-field diodes. bright and dark field with a 12bit camera. Contrary to the expected simulation and theoretical results, no gain in resolution is observed by comparison between Figure 1(a) and Figure 1(b). Furthermore, the quality of the images is degraded in FIG. 1(b).
Les résultats de simulations démontrent que la dynamique des images n’est pas essentielle pour exploiter les images en champ sombre. Ceux expérimentaux attestent que le bruit thermique, lié à l’excitation des porteurs du fait de la température du capteur et particulièrement visible sur les pixels faiblement éclairés de la caméra, participe grandement à la dégradation des reconstructions en microscopie FPM. Ce bruit doit donc être efficacement minimisé. Simulation results demonstrate that image dynamics are not essential to exploit dark field images. The experimental ones attest that the thermal noise, related to the excitation of the carriers due to the temperature of the sensor and particularly visible on the weakly lit pixels of the camera, contributes greatly to the degradation of the reconstructions in FPM microscopy. This noise must therefore be effectively minimized.
Pour ce faire, les méthodes connues peuvent utiliser un capteur refroidi. En variante ou en combinaison, des temps de pose réduits au mieux peuvent être utilisés, la puissance du bruit thermique étant directement liée aux statistiques d’excitation thermique des porteurs et donc au temps de pose utilisé pour acquérir chaque image, pour une température de travail fixée. Cette réduction est particulièrement bénéfique pour acquérir les images en champ sombre, mais est peu aisée à obtenir. Dans les méthodes connues, les sources sont disposées dans un plan, ou sur une surface sphérique ou demi-sphérique, ce qui permet, dans le deuxième cas, d’avoir une puissance d’excitation de l’échantillon uniforme et identique pour chaque source. Mais ces dispositions ne peuvent s’affranchir de la contrainte imposée par la distance entre l’échantillon et les sources en champ clair, telle que mentionnée précédemment. To do this, the known methods can use a cooled sensor. As a variant or in combination, exposure times reduced to the best can be used, the power of the thermal noise being directly related to the statistics of thermal excitation of the carriers and therefore to the exposure time used to acquire each image, for a working temperature fixed. This reduction is particularly beneficial for acquiring dark field images, but is not easy to obtain. In the known methods, the sources are arranged in a plane, or on a spherical or semi-spherical surface, which makes it possible, in the second case, to have a uniform and identical sample excitation power for each source. . But these arrangements cannot overcome the constraint imposed by the distance between the sample and the sources in the bright field, as mentioned previously.
Exposé de l’invention Disclosure of Invention
En conséquence, il existe un besoin pour améliorer encore l’encombrement et les performances des microscopes, en particulier les microscopes à base de ptychographie dans le domaine de Fourier, notamment en réduisant le bruit des images acquises avec une meilleure gestion des flux optiques et le temps d’acquisition et de traitement des données et en apportant de la flexibilité en termes d’échantillonnage dans l’espace de Fourier des échantillons biologiques. Consequently, there is a need to further improve the size and performance of microscopes, in particular microscopes based on ptychography in the Fourier domain, in particular by reducing the noise of the images acquired with better management of the optical flows and the data acquisition and processing time and providing flexibility in terms of Fourier space sampling of biological samples.
Fa présente invention a précisément pour objet de répondre à ce besoin. The object of the present invention is precisely to meet this need.
Résumé de l’invention Summary of the Invention
Fa présente invention a ainsi pour objet un système d’éclairage, destiné notamment à être inclus dans un microscope ou un dispositif d’imagerie microscopique, comportant une pluralité de sources de lumière disposées selon des régions de plan définissant un espace solide coupant un axe de référence passant par un point de référence du système. The subject of the present invention is thus an illumination system, intended in particular to be included in a microscope or a microscopic imaging device, comprising a plurality of light sources arranged according to plane regions defining a solid space intersecting an axis of reference passing through a system reference point.
F’invention repose sur un système d’éclairage constitué par plusieurs point- sources répartis dans un volume, et permet de réduire le bruit de mesure en intensité et en phase grâce notamment à l’optimisation des flux optiques, et donc d’améliorer la qualité des images obtenues par rapport aux méthodes connues utilisant des sources réparties sur une surface plane ou sphérique. The invention is based on a lighting system consisting of several point-sources distributed in a volume, and makes it possible to reduce the noise of measurement in intensity and in phase thanks in particular to the optimization of the optical flows, and therefore to improve the quality of the images obtained compared to known methods using sources distributed over a flat or spherical surface.
Fe système d’éclairage selon l’invention permet de mieux gérer le flux optique arrivant sur un échantillon sous test, notamment dans le cas où le système est inclus dans un microscope ou un dispositif d’imagerie microscopique. En effet, en particulier pour la microscopie par ptychographie de Fourier, le facteur de super-résolution accessible dépend de deux paramètres : l’inclinaison des faisceaux incidents provenant des sources, et la densité de l’échantillonnage dans l’espace de Fourier des ondes planes associées. Dans les méthodes connues, ces deux contraintes amènent à éloigner la source d’éclairage d’une certaine distance. Le flux optique arrivant sur l’échantillon, proportionnel à l/d2 où d est la distance entre la source et l’échantillon, est donc limité et conduit à des temps d’exposition importants. La disposition en volume selon l’invention permet de rapprocher certains des points-sources et donc de réduire le temps d’acquisition global tout en réduisant le bruit d’obscurité, proportionnel au temps d’acquisition, sans apporter de difficultés supplémentaire par rapport à la contrainte relative à la distance inter- source minimale et imposée par l’encombrement du boîtier de chaque source. The lighting system according to the invention makes it possible to better manage the optical flow arriving at a sample under test, in particular in the case where the system is included in a microscope or a microscopic imaging device. Indeed, in particular for microscopy by Fourier ptychography, the accessible super-resolution factor depends on two parameters: the inclination of the incident beams coming from the sources, and the density of the sampling in the Fourier space of the waves associated planes. In methods known, these two constraints lead to moving the light source a certain distance away. The optical flux arriving on the sample, proportional to l/d 2 where d is the distance between the source and the sample, is therefore limited and leads to long exposure times. The volume arrangement according to the invention makes it possible to bring some of the source points closer and therefore to reduce the overall acquisition time while reducing the dark noise, proportional to the acquisition time, without bringing additional difficulties compared to the constraint relating to the minimum inter-source distance imposed by the size of the casing of each source.
L’invention permet de gérer de façon fine et souple l’échantillonnage effectué dans l’espace de Fourier. Il est avantageusement possible de choisir de façon fine l’inclinaison des faisceaux en rapprochant les sources d’un échantillon sous test sans pour autant réduire le pas d’échantillonnage pour les inclinaisons faibles, les sources étant placées à distance plus éloignée pour cela. Ce maillage fin de l’espace de Fourier est avantageusement réalisé pour un encombrement fixé, imposé d’une part par le design des microscopes connus mais aussi par l’encombrement minimum des sources utilisées. Le système d’éclairage selon l’invention peut ainsi être conçu de façon très polyvalente pour être utilisable sur tous les microscopes connus et les transformer, si besoin, en microscope par FPM. The invention makes it possible to finely and flexibly manage the sampling carried out in Fourier space. It is advantageously possible to finely choose the inclination of the beams by bringing the sources closer to a sample under test without reducing the sampling step for low inclinations, the sources being placed at a further distance for this. This fine mesh of Fourier space is advantageously produced for a fixed size, imposed on the one hand by the design of known microscopes but also by the minimum size of the sources used. The lighting system according to the invention can thus be designed in a very versatile way to be usable on all known microscopes and transform them, if necessary, into an FPM microscope.
Cet échantillonnage flexible et fin permet de plus de réaliser un traitement des images de façon entièrement optique et flexible. Cela peut être particulièrement bénéfique pour repérer des objets d’intérêt sur une lame. Plutôt que de réaliser cette opération avec des dispositifs spécialisés, peu flexibles, et coûteux, tels que les objectifs à contraste de phase, ou la mise en œuvre d’imagerie en champ sombre, l’utilisateur peut programmer la fonction de filtrage désirée en choisissant les sources à allumer. This flexible and fine sampling also makes it possible to perform image processing in a fully optical and flexible manner. This can be particularly beneficial for spotting objects of interest on a slide. Rather than performing this operation with specialized, inflexible, and expensive devices, such as phase contrast objectives, or the implementation of dark field imaging, the user can program the desired filtering function by choosing sources to light.
En outre, un seul système d’éclairage selon l’invention peut convenir à différents objectifs de microscope en même temps, objectifs pouvant aller du fort grossissement au faible grossissement. Il n’est ainsi pas nécessaire de changer de matrice de sources ou des régler à nouveau ces dernières pour optimiser les flux optiques à chaque fois que l’on change d’objectif. Furthermore, a single illumination system according to the invention can be suitable for different microscope objectives at the same time, objectives which can range from high magnification to low magnification. It is thus not necessary to change the matrix of sources or to adjust them again to optimize the optical flows each time the objective is changed.
Dans la présente invention, par « espace solide », il faut comprendre une figure à trois dimensions, limitée par une surface fermée à volume mesurable et dont tous les points sont à des distances invariables, de telle sorte que sa forme et son volume soient ainsi déterminés. In the present invention, by "solid space", it is necessary to understand a three-dimensional figure, limited by a closed surface of measurable volume and of which all the points are at invariable distances, so that its shape and volume are thus determined.
Le système selon l’invention comporte avantageusement une multiplicité de couches de sources de lumière. L’invention offre ainsi une solution multicouches. The system according to the invention advantageously comprises a multiplicity of layers of light sources. The invention thus offers a multilayer solution.
L’espace solide peut définir une surface enveloppe présentant au moins une face non plane. The solid space can define an envelope surface with at least one non-planar face.
Dans une variante, l’espace solide définit une surface enveloppe présentant uniquement des faces planes, l’espace solide formant notamment un cube. In a variant, the solid space defines an envelope surface having only planar faces, the solid space notably forming a cube.
Dans le cas où l’espace solide forme un cube ayant six faces, chacune des faces dudit cube porte de préférence au moins une source de lumière, mieux une pluralité de sources de lumière. In the case where the solid space forms a cube having six faces, each of the faces of said cube preferably carries at least one light source, better still a plurality of light sources.
Dans la présente invention, dans le cas où le système d’éclairage est inclus dans un microscope ou un dispositif d’imagerie microscopique, l’axe de référence correspond, de façon connue, à l’axe optique dudit microscope ou dispositif d’imagerie microscopique. In the present invention, in the case where the lighting system is included in a microscope or a microscopic imaging device, the reference axis corresponds, in known manner, to the optical axis of said microscope or imaging device microscopic.
La distance d’une source de lumière audit point de référence est avantageusement fonction de l’angle d’incidence entre l’axe de référence Z et la droite reliant ladite source de lumière au point de référence. The distance from a light source to said reference point is advantageously a function of the angle of incidence between the reference axis Z and the straight line connecting said light source to the reference point.
De préférence, le point de référence est non compris dans l’espace solide défini par les sources de lumière. Preferably, the reference point is not included in the solid space defined by the light sources.
Les sources de lumière peuvent être disposées sur des régions de plan coupant chacune perpendiculairement l’axe de référence. The light sources can be arranged on regions of the plane, each of which intersects the reference axis perpendicularly.
Dans une variante, au moins une partie de la pluralité de sources de lumière est disposée sur au moins une région de plan coupant obliquement l’axe de référence. Alternatively, at least a portion of the plurality of light sources is disposed on at least one plane region obliquely intersecting the reference axis.
De préférence, chaque source de lumière comporte un ou plusieurs éléments émissifs, chaque élément émissif de chacune des sources de lumière étant ponctuel. Preferably, each light source comprises one or more emissive elements, each emissive element of each of the light sources being point-like.
Les sources de lumière situées à plus grande distance dudit point de référence sont avantageusement configurées pour acquérir des images en champ clair. The light sources located at a greater distance from said reference point are advantageously configured to acquire bright field images.
Les sources de lumière situées à plus petite distance dudit point de référence sont avantageusement configurées pour acquérir des images en champ sombre. Dans le cas où le système d’éclairage selon l’invention est inclus dans un microscope ou un dispositif d’imagerie microscopique destiné à l’observation d’un échantillon, une puissance forte est en effet obtenue en se rapprochant de l’échantillon. Le système selon l’invention peut comporter des circuits électroniques souples formant les régions de plan et portant les sources de lumière. Ces circuits peuvent être portés par une structure, notamment réalisée par impression 3D, ce qui permet de fournir une structure plus rigide avec une orientation angulaire des sources facilement adaptable. Il convient de veiller à ménager du vide pour que chaque source de lumière accède à l’échantillon. The light sources located at a closer distance from said reference point are advantageously configured to acquire dark field images. In the case where the lighting system according to the invention is included in a microscope or a microscopic imaging device intended for the observation of a sample, a strong power is in fact obtained by approaching the sample. The system according to the invention may comprise flexible electronic circuits forming the plane regions and carrying the light sources. These circuits can be carried by a structure, in particular produced by 3D printing, which makes it possible to provide a more rigid structure with an easily adaptable angular orientation of the sources. Care should be taken to provide a vacuum for each light source to access the sample.
Le système selon l’invention peut comporter des microlentilles de collimation associées à chaque source de lumière. Dans une variante, le système comporte une lentille globale. The system according to the invention may include collimating microlenses associated with each light source. In a variant, the system includes a global lens.
Le système selon l’invention comporte avantageusement un module de contrôle configuré pour sélectionner les sources de lumière à allumer, notamment pour la réalisation d’une fonction de filtrage des fréquences spatiales d’un échantillon à étudier placé de façon centrée au niveau dudit point de référence. Le gabarit de la fonction de filtrage à réaliser de façon toute optique peut être réglée de façon souple en réglant l’intensité de chaque source de lumière. Ceci permet de révéler les fréquences recherchées, ce qui est particulièrement intéressant pour remplacer certaines étapes de traitement des images par un traitement entièrement optique, par exemple pour repérer des objets d’intérêts. The system according to the invention advantageously comprises a control module configured to select the light sources to be switched on, in particular for carrying out a function of filtering the spatial frequencies of a sample to be studied placed centrally at the level of said point of reference. The size of the filtering function to be achieved in an all-optical way can be adjusted flexibly by adjusting the intensity of each light source. This makes it possible to reveal the frequencies sought, which is particularly interesting for replacing certain stages of image processing by an entirely optical processing, for example to identify objects of interest.
L’intensité peut être la même pour chaque source de lumière. Dans une variante, l’intensité d’une ou plusieurs sources de lumière est réglable. Grâce à l’invention, il n’est pas nécessaire de régler l’intensité des sources de lumière, une même intensité pour chaque source est utilisée, alors qu’une puissance différente atteint l’échantillon à cause de la distance variable des sources de lumière à l’échantillon. The intensity can be the same for each light source. Alternatively, the intensity of one or more light sources is adjustable. Thanks to the invention, it is not necessary to adjust the intensity of the light sources, the same intensity for each source is used, whereas a different power reaches the sample because of the variable distance of the sources of light to the sample.
De préférence, les sources de lumière sont des diodes. Preferably, the light sources are diodes.
Microscope et dispositif d’imagerie microscopique Microscope and microscopic imaging device
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un microscope comportant le système d’éclairage selon l’invention, tel que défini ci-dessus. Another subject of the invention, according to another of its aspects, is a microscope comprising the lighting system according to the invention, as defined above.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un dispositif d’imagerie microscopique comportant le système d’éclairage selon l’invention, tel que défini ci-dessus. Another subject of the invention, according to another of its aspects, is a microscopic imaging device comprising the lighting system according to the invention, as defined above.
Le dispositif d’imagerie microscopique peut comporter une source de lumière additionnelle, étant notamment une source laser ou une source Kohler. Cette source de lumière additionnelle apporte des fonctionnalités additionnelles, notamment une mesure holographique grâce à la source laser, et un éclairage traditionnel par le biais de la source Kohler. The microscopic imaging device may comprise an additional light source, being in particular a laser source or a Kohler source. This additional light source brings additional functionalities, in particular a measurement holographic through the laser source, and traditional lighting through the Kohler source.
Les caractéristiques énoncées ci-dessus pour le système s’appliquent au microscope et au dispositif d’imagerie microscopique, et vice-versa. The characteristics stated above for the system apply to the microscope and the microscopic imaging device, and vice versa.
Procédé Process
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé d’analyse d’un échantillon utilisant un système d’éclairage selon l’invention, comportant au moins les étapes suivantes : Another subject of the invention, according to another of its aspects, is a method for analyzing a sample using a lighting system according to the invention, comprising at least the following steps:
- analyser dans le domaine fréquentiel les puissances de chaque source de lumière dans une zone de recouvrement créée entre deux sources adjacentes, afin de compenser les puissances arrivant sur l’échantillon, et - analyze in the frequency domain the powers of each light source in an overlap zone created between two adjacent sources, in order to compensate for the powers arriving on the sample, and
- initialiser le spectre de façon à pouvoir supprimer toute source de lumière placée sur l’axe de référence afin de réaliser la reconstruction de l’échantillon. - initialize the spectrum so as to be able to remove any light source placed on the reference axis in order to carry out the reconstruction of the sample.
La compensation des puissances arrivant sur l’échantillon est due à la distance variable entre l’échantillon et chaque source de lumière. The compensation of the powers arriving on the sample is due to the variable distance between the sample and each light source.
L’éclairage homogène de sources n’est plus requis car pouvant être compensé numériquement ou électroniquement. Uniform illumination of sources is no longer required as it can be digitally or electronically compensated.
Dans la mesure où les angles d’illumination possibles par les sources sont très variés, et que le maillage de l’espace de Fourier est fin, il est possible d’utiliser l’invention pour révéler des détails choisis de l’échantillon, par simple programmation des sources. Par exemple, on peut l’utiliser pour obtenir des images champ-sombre et révéler les fréquences spatiales élevées de l’échantillon. Insofar as the angles of illumination possible by the sources are very varied, and that the mesh of the Fourier space is fine, it is possible to use the invention to reveal selected details of the sample, for simple source programming. For example, it can be used to obtain dark-field images and reveal the high spatial frequencies of the sample.
Toutes les étapes du procédé sont avantageusement mises en œuvre automatiquement par un ordinateur. All the steps of the method are advantageously implemented automatically by a computer.
Produit programme d’ordinateur computer program product
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un produit programme d’ordinateur pour la mise en œuvre du procédé d’analyse d’un échantillon selon l’invention, le produit programme d’ordinateur comportant un support et enregistrées sur ce support des instructions lisibles par un processeur pour que, lorsqu’exécutées, Another subject of the invention, according to another of its aspects, is a computer program product for implementing the method for analyzing a sample according to the invention, the computer program product comprising a support and recorded on this support of the instructions readable by a processor so that, when executed,
- les puissances de chaque source de lumière sont analysées, dans le domaine fréquentiel, dans une zone de recouvrement créée entre deux sources adjacentes, afin de compenser les puissances arrivant sur l’échantillon, et - le spectre est initialisé de façon à pouvoir supprimer toute source de lumière placée sur l’axe de référence afin de réaliser la reconstruction de l’échantillon. - the powers of each light source are analyzed, in the frequency domain, in an overlap zone created between two adjacent sources, in order to compensate for the powers arriving on the sample, and - the spectrum is initialized so as to be able to remove any light source placed on the reference axis in order to carry out the reconstruction of the sample.
Les caractéristiques énoncées ci-dessus pour le système s’appliquent au procédé et le produit programme d’ordinateur, et vice- versa. The characteristics stated above for the system apply to the process and the computer program product, and vice versa.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : The invention may be better understood on reading the detailed description which follows, non-limiting examples of its implementation, and on examining the appended drawing, in which:
[Fig 1] la figure 1, précédemment décrite, illustre le résultat d’une reconstruction ptychographique dans l’espace de Fourier réalisée dans une installation de microscopie FPM de l’art antérieur avec des temps d’exposition et des puissances identiques pour chacune des diodes utilisées et disposées sur un unique plan, [Fig 1] figure 1, previously described, illustrates the result of a ptychographic reconstruction in Fourier space carried out in a prior art FPM microscopy installation with identical exposure times and powers for each of the diodes used and arranged on a single plane,
[Fig 2] la figure 2 illustre un exemple de système d’éclairage selon l’invention inclus dans un dispositif d’imagerie microscopique, [Fig 2] Figure 2 illustrates an example of an illumination system according to the invention included in a microscopic imaging device,
[Fig 3] la figure 3 présente des résultats comparatifs entre l’invention et l’art antérieur, et [Fig 3] Figure 3 presents comparative results between the invention and the prior art, and
[Fig 4] la figure 4 présente d’autres résultats comparatifs entre l’invention et l’art antérieur. [Fig 4] Figure 4 presents other comparative results between the invention and the prior art.
Description détaillée detailed description
On a illustré à la figure 2 un exemple de système d’éclairage 1 selon l’invention. Dans l’exemple considéré, le système d’éclairage 1 est inclus dans un dispositif d’imagerie microscopique 10 destiné à étudier un échantillon E, notamment un échantillon biologique, placé au niveau d’un point de référence Pr du système 1. There is illustrated in Figure 2 an example of a lighting system 1 according to the invention. In the example considered, the lighting system 1 is included in a microscopic imaging device 10 intended to study a sample E, in particular a biological sample, placed at a reference point P r of the system 1.
Le système d’éclairage 1 comporte une pluralité de sources de lumière 2 disposées selon des régions de plan définissant un espace solide S coupant perpendiculairement un axe de référence Z passant par ledit point de référence Pr du système. L’espace solide S définit une surface enveloppe présentant uniquement des faces planes, et forme un cube ayant six faces. Chacune des six faces dudit cube porte une pluralité de sources de lumière. Le système selon l’invention comporte ainsi une multiplicité de couches de sources de lumière. Le dispositif d’imagerie microscopique 10 comporte une lentille microscopique 6 et un appareil photo 7. The lighting system 1 comprises a plurality of light sources 2 arranged in plane regions defining a solid space S perpendicularly intersecting a reference axis Z passing through said reference point P r of the system. The solid space S defines an envelope surface having only planar faces, and forms a cube having six faces. Each of the six faces of said cube carries a plurality of light sources. The system according to the invention thus comprises a multiplicity of layers of light sources. The microscopic imaging device 10 comprises a microscopic lens 6 and a camera 7.
Comme décrit précédemment, la distance d’une source de lumière 2 audit point de référence Pr est avantageusement fonction de l’angle d’incidence entre l’axe de référence Z et la droite reliant ladite source de lumière au point de référence. Le point de référence Pr est en outre non compris dans l’espace solide S défini par les sources de lumière 2. As described above, the distance from a light source 2 to said reference point P r is advantageously a function of the angle of incidence between the reference axis Z and the straight line connecting said light source to the reference point. The reference point P r is also not included in the solid space S defined by the light sources 2.
Dans cet exemple et de préférence, l’intensité est la même pour chaque source de lumière 2, et les sources de lumière sont des diodes. In this example and preferably, the intensity is the same for each light source 2, and the light sources are diodes.
Le système 1 selon l’invention peut également comporter un module de contrôle, non illustré, configuré pour sélectionner les sources de lumière 2 à allumer, notamment pour la réalisation d’une fonction de filtrage des fréquences spatiales de l’échantillon E à étudier placé au niveau dudit point de référence Pr. Une interface homme-machine permet de faire le lien entre le système et l’étude de l’échantillon. The system 1 according to the invention can also comprise a control module, not illustrated, configured to select the light sources 2 to be turned on, in particular for the realization of a function of filtering the spatial frequencies of the sample E to be studied placed at said reference point P r . A man-machine interface makes it possible to make the link between the system and the study of the sample.
Dans une variante non représentée, l’espace solide S défini par les régions de plan sur lesquelles sont disposées les sources de lumière définit une surface enveloppe présentant des faces non planes, les sources de lumière 2 étant disposées sur des régions de plan coupant obliquement l’axe de référence Z. In a variant not shown, the solid space S defined by the plane regions on which the light sources are arranged defines an envelope surface having non-planar faces, the light sources 2 being arranged on plane regions obliquely intersecting the reference axis Z.
Selon un mode de réalisation, comme représenté en traits pointillés, le dispositif d’imagerie microscopique 10 peut comporter une source de lumière additionnelle 8, étant notamment une source laser, un condenseur optique, ou une source Kohler. According to one embodiment, as shown in dotted lines, the microscopic imaging device 10 may comprise an additional light source 8, being in particular a laser source, an optical condenser, or a Kohler source.
Des résultats comparatifs sont présentés à la figure 3. Le résultat intitulé « raw » correspond à une image enregistrée avec la source de lumière centrale. Les images obtenues grâce au système selon l’invention (LED 3D) sont mieux résolues, les bords étant beaucoup plus fins, et les images faisant apparaître des points d’intérêt plus facilement observables que dans les images obtenues avec les méthodes connues. Comparative results are presented in Figure 3. The result labeled “raw” corresponds to an image recorded with the central light source. The images obtained using the system according to the invention (3D LED) are better resolved, the edges being much thinner, and the images showing points of interest more easily observable than in the images obtained with the known methods.
D’autres résultats comparatifs sont présentés à la figure 4, pour les images en phase et les images en intensité, incluant également une comparaison avec une source source Kohler. Les images obtenues grâce au système selon l’invention sont mieux résolues. Other comparative results are shown in Figure 4, for phase images and intensity images, also including a comparison with a Kohler source. The images obtained using the system according to the invention are better resolved.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent juste d’être décrits. En particulier, d’autres sources de lumière peuvent être utilisées, ainsi que d’autres dispositions pour ces dernières. L’invention peut être utilisée dans la microscopie conventionnelle, l’holographie numérique, notamment en ligne, la tomographie optique, la microscopie sans lentille (« lensless microscopy » en anglais), ou la microscopie par ptychographie de Fourier. Le système d’éclairage selon l’invention peut être utilisé pour le diagnostic médical, par le biais de l’observation de tissus biologiques, notamment pour l’observation du paludisme ou des différentes lignées cellulaires du sang anormales, telles que les schizocytes, amas de plaquettes, ou globules blancs anormaux. Of course, the invention is not limited to the examples which have just been described. In particular, other light sources can be used, as well as other arrangements for the latter. The invention can be used in conventional microscopy, digital holography, in particular online, optical tomography, lensless microscopy, or microscopy by Fourier ptychography. The lighting system according to the invention can be used for medical diagnosis, through the observation of biological tissues, in particular for the observation of malaria or the various abnormal blood cell lines, such as schistocytes, clusters platelets, or abnormal white blood cells.
L’invention peut être avantageusement employée pour la production de lames biologiques virtuelles, ou clones numériques, pour un diagnostic automatisé, et associée par exemple à des algorithmes d’intelligence artificielle. Les données reconstruites avec le système de l’invention sont largement manipulables numériquement, et sont riches, tant en intensité qu’en phase, et fines. The invention can be advantageously used for the production of virtual biological slides, or digital clones, for automated diagnosis, and associated for example with artificial intelligence algorithms. The data reconstructed with the system of the invention are largely digitally manipulable, and are rich, both in intensity and in phase, and fine.
Le système d’éclairage selon l’invention peut être en particulier utilisé à la place des systèmes d’éclairage connus des microscopes avec une souplesse accrue et de façon avantageuse, car offrant un système plus simple, ne nécessitant notamment pas d’élément mécanique et optique pour régler l’inclinaison des faisceaux. Si toutes les sources sont allumées en même temps, il est possible de former des images tout à fait similaires à celles obtenues par une source Kohler. Pour être adaptées aux différentes applications de microscopie traditionnelle, le réglage de la source Kohler est remplacé par la programmation des sources à allumer, qui peut être bien plus varié et fin dans l’invention que dans une source Kohler. Un tel réglage permet également une excitation de l’échantillon inaccessible aux sources Kohler. The lighting system according to the invention can in particular be used instead of known lighting systems for microscopes with increased flexibility and advantageously, since it offers a simpler system, in particular not requiring any mechanical element and optics to adjust the inclination of the beams. If all the sources are switched on at the same time, it is possible to form images quite similar to those obtained by a Kohler source. To be adapted to the various traditional microscopy applications, the adjustment of the Kohler source is replaced by the programming of the sources to be switched on, which can be much more varied and fine in the invention than in a Kohler source. Such a setting also allows an excitation of the sample inaccessible to Kohler sources.
L’invention peut également être utilisée pour réaliser de la microscopie à contraste de phase différentielle, décrite dans l’article de Tian et al « Quantitative dijferential phase contrast imaging in an LED array microscope », Optics Express, vol. 23n n° 9, pages 11394-11403, 2015. The invention can also be used to perform differential phase contrast microscopy, described in the article by Tian et al “Quantitative differential phase contrast imaging in an LED array microscope”, Optics Express, vol. 23n no. 9, pages 11394-11403, 2015.
De façon plus générale, l’invention peut être utilisée pour toutes les applications d’imagerie où il est utile de pouvoir contrôler l’incidence des faisceaux et la puissance, notamment en fonction de l’inclinaison, par exemple dans des applications d’imagerie fréquentielle pour la détection d’objets d’intérêts. More generally, the invention can be used for all imaging applications where it is useful to be able to control the incidence of the beams and the power, in particular as a function of the inclination, for example in imaging applications frequency for the detection of objects of interest.

Claims

Revendications Claims
1. Système d’éclairage (1), destiné notamment à être inclus dans un microscope ou un dispositif d’imagerie microscopique, comportant une pluralité de sources de lumière (2) disposées selon des régions de plan définissant un espace solide (S) coupant un axe de référence (Z) passant par un point de référence (Pr) du système, l’espace solide (S) étant une figure à trois dimensions, limitée par une surface fermée à volume mesurable et dont tous les points sont à des distances invariables. 1. Lighting system (1), intended in particular to be included in a microscope or a microscopic imaging device, comprising a plurality of light sources (2) arranged according to plane regions defining a solid space (S) intersecting a reference axis (Z) passing through a reference point (P r ) of the system, the solid space (S) being a three-dimensional figure, limited by a closed surface of measurable volume and all the points of which are at invariable distances.
2. Système selon la revendication 1, dans lequel l’espace solide (S) définit une surface enveloppe présentant au moins une face non plane. 2. System according to claim 1, in which the solid space (S) defines an envelope surface having at least one non-planar face.
3. Système selon la revendication 1, dans lequel l’espace solide (S) définit une surface enveloppe présentant uniquement des faces planes, l’espace solide formant notamment un cube. 3. System according to claim 1, in which the solid space (S) defines an envelope surface having only planar faces, the solid space notably forming a cube.
4. Système selon la revendication 1 ou 3, dans lequel, l’espace solide formant un cube ayant six faces, chacune des faces dudit cube porte au moins une source de lumière. 4. System according to claim 1 or 3, in which, the solid space forming a cube having six faces, each of the faces of said cube carries at least one light source.
5. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la distance d’une source de lumière (2) audit point de référence (Pr) est fonction de l’angle d’incidence entre l’axe de référence (Z) et la droite reliant ladite source de lumière au point de référence. 5. System according to any one of the preceding claims, in which the distance of a light source (2) from said reference point (P r ) is a function of the angle of incidence between the reference axis (Z ) and the line connecting said light source to the reference point.
6. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le point de référence (Pr) est non compris dans l’espace solide (S) défini par les sources de lumière (2). 6. System according to any one of the preceding claims, in which the reference point (P r ) is not included in the solid space (S) defined by the light sources (2).
7. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les sources de lumière (2) sont disposées sur des régions de plan coupant chacune perpendiculairement l’axe de référence (Z). 7. System according to any one of the preceding claims, in which the light sources (2) are arranged on plane regions each intersecting perpendicularly with the reference axis (Z).
8. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel au moins une partie de la pluralité de sources de lumière (2) est disposée sur au moins une région de plan coupant obliquement l’axe de référence (Z). 8. System according to any one of claims 1 to 6, in which at least a part of the plurality of light sources (2) is arranged on at least one plane region obliquely intersecting the reference axis (Z).
9. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque source de lumière (2) comporte un ou plusieurs éléments émissifs, chaque élément émissif de chacune des sources de lumière étant ponctuel. 9. System according to any one of the preceding claims, in which each light source (2) comprises one or more emissive elements, each emissive element of each of the light sources being point-like.
10. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les sources de lumière (2) situées à plus grande distance dudit point de référence (Pr) sont configurées pour acquérir des images en champ clair. 10. System according to any one of the preceding claims, in which the light sources (2) situated at a greater distance from said reference point (P r ) are configured to acquire bright field images.
11. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les sources de lumière (2) situées à plus petite distance dudit point de référence (Pr) sont configurées pour acquérir des images en champ sombre. 11. System according to any one of the preceding claims, in which the light sources (2) located at the shortest distance from said reference point (P r ) are configured to acquire dark field images.
12. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des circuits souples formant les régions de plan et portant les sources de lumière (2). 12. System according to any one of the preceding claims, comprising flexible circuits forming the plane regions and carrying the light sources (2).
13. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant des microlentilles de collimation associées à chaque source de lumière (2). 13. System according to any one of the preceding claims, comprising collimating microlenses associated with each light source (2).
14. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, comportant une lentille globale. 14. System according to any one of claims 1 to 12, comprising a global lens.
15. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un module de contrôle configuré pour sélectionner les sources de lumière (2) à allumer, notamment pour la réalisation d’une fonction de filtrage des fréquences spatiales d’un échantillon (E) à étudier placé au niveau dudit point de référence (Pr). 15. System according to any one of the preceding claims, comprising a control module configured to select the light sources (2) to be turned on, in particular for carrying out a function of filtering the spatial frequencies of a sample (E) to be studied placed at said reference point (P r ).
16. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’intensité est la même pour chaque source de lumière (2), ou l’intensité d’une ou plusieurs sources de lumière est réglable. 16. System according to any one of the preceding claims, in which the intensity is the same for each light source (2), or the intensity of one or more light sources is adjustable.
17. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les sources de lumière (2) sont des diodes. 17. System according to any one of the preceding claims, in which the light sources (2) are diodes.
18. Microscope comportant le système d’éclairage selon l’une quelconque des revendications précédentes. 18. Microscope comprising the lighting system according to any one of the preceding claims.
19. Dispositif d’imagerie microscopique (10) comportant le système d’éclairage (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 17. 19. Microscopic imaging device (10) comprising the lighting system (1) according to any one of claims 1 to 17.
20. Procédé d’analyse d’un échantillon (E) utilisant un système d’éclairage (1) selon les revendications 1 à 17, comportant au moins les étapes suivantes : 20. Method for analyzing a sample (E) using an illumination system (1) according to claims 1 to 17, comprising at least the following steps:
- analyser dans le domaine fréquentiel les puissances de chaque source de lumière (2) dans une zone de recouvrement créée entre deux sources adjacentes, afin de compenser les puissances arrivant sur l’échantillon (E), et - analyzing in the frequency domain the powers of each light source (2) in an overlap zone created between two adjacent sources, in order to compensate for the powers arriving on the sample (E), and
- initialiser le spectre de façon à pouvoir supprimer toute source de lumière placée sur l’axe de référence afin de réaliser la reconstruction de l’échantillon (E). - initialize the spectrum so as to be able to remove any light source placed on the reference axis in order to carry out the reconstruction of the sample (E).
21. Produit programme d’ordinateur pour la mise en œuvre du procédé d’analyse d’un échantillon (E) selon la revendication précédente, le produit programme d’ordinateur comportant un support et enregistrées sur ce support des instructions lisibles par un processeur pour que, lorsqu’exécutées, - les puissances de chaque source de lumière (2) sont analysées, dans le domaine fréquentiel, dans une zone de recouvrement créée entre deux sources adjacentes, afin de compenser les puissances arrivant sur l’échantillon (E), et 21. Computer program product for implementing the method for analyzing a sample (E) according to the preceding claim, the computer program product comprising a support and recorded on this support instructions readable by a processor for that, when executed, - the powers of each light source (2) are analyzed, in the frequency domain, in an overlap zone created between two adjacent sources, in order to compensate for the powers arriving on the sample (E), And
- le spectre est initialisé de façon à pouvoir supprimer toute source de lumière placée sur l’axe de référence afin de réaliser la reconstruction de l’échantillon (E). - the spectrum is initialized so as to be able to remove any light source placed on the reference axis in order to carry out the reconstruction of the sample (E).
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