FR3123122A1 - Dispositif de mesure d’informations polarimétriques et de fluorescence - Google Patents
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Abstract
Dispositif de mesure optique (1) d’un échantillon cible (60), comprenant- au moins une source (2) adaptée pour émettre un premier faisceau lumineux monochromatique incident;- un générateur d’état de polarisation (3G) agencé en sortie de la source (2) ;- un diviseur de faisceau lumineux (9) configuré pour séparer le faisceau incident en une première fraction de faisceau incident et une seconde fraction de faisceau incident et transmettre ladite seconde fraction de faisceau incident vers un système de focalisation et de collecte de faisceau lumineux (40) pour illuminer une zone d’étude de l’échantillon cible (60), ledit diviseur de faisceau (9) étant configuré pour envoyer le faisceau réfléchi par l’échantillon cible (60) vers un premier système de détection (10) ;- un analyseur d’états de polarisation (3A) agencé entre le diviseur de faisceau (9) et le système de détection (10) ;- au moins un moyen optique de guidage configuré pour transporter le premier faisceau incident et le faisceau réfléchi par l’échantillon cible ;- ledit premier système de détection (10) comprenant un séparateur de polarisation (13) pour séparer le faisceau réfléchi par l’échantillon en deux composantes de polarisation orthogonales, et au moins un détecteur (11, 12) pour mesurer une des deux composantes du faisceau réfléchi en sortie dudit séparateur de polarisation (13) ;- une unité de traitement de données (70) configurée pour calculer des informations à partir des signaux transmis par le premier système de détection (10).
Figure de l’abrégé : Figure 1
Description
La présente divulgation concerne un dispositif de mesure d’informations polarimétriques et de fluorescence d’un échantillon. La présente invention concerne plus précisément un dispositif permettant d’utiliser différents modes d’imagerie pour générer des images en mode polarisation confocale et en mode fluorescence confocale.
Il est connu d’utiliser des techniques d’imagerie reposant sur l’interaction entre un faisceau lumineux et un échantillon afin de sonder les propriétés de l’échantillon. Certaines de ces techniques utilisent l’intensité de la lumière réémise par l’échantillon. D’autres techniques sont basées sur la mesure des modifications de la polarisation de la lumière lors de son interaction avec l’échantillon.
Les informations polarimétriques contenues dans un faisceau après avoir été réfléchi par un milieu ou après l’avoir traversé permet d’extraire des informations sur la structure à l’échelle submicronique de ce milieu. Ainsi dans le cas où le milieu est par exemple un tissu biologique, les mesures polarimétriques permettent de faire apparaître des contrastes informatifs entre les différentes régions des tissus. En particulier, l’imagerie polarimétrique permet de faire apparaître par exemple des contrastes entre des régions saines de tissus et des régions pathologiques de tissus qui ne sont pas visibles par des techniques de mesures d’intensité optique classique.
Un des effets polarimétriques liés à la modification de la polarisation de la lumière lors de son interaction avec un milieu donné est l’introduction d’un retard de phase, liée à la biréfringence du milieu qui peut être linéaire ou circulaire.
Cette anisotropie d’indice induit un déphasage relatif entre les deux états de polarisation propres. La biréfringence est une caractéristique polarimétrique de certains matériaux naturels, tels que les cristaux de calcite ou de mica qui sont par exemple utilisés pour la fabrication de lames demi-onde ou de lame quart-d’onde. Cette propriété polarimétrique est également présente dans certains tissus biologiques qui se comportent comme des biréfringents linéaires. C’est le cas par exemple du collagène.
La biréfringence circulaire est un milieu dans lequel les deux états propres de polarisation orthogonaux circulaires qui se propagent en voyant un indice de réfraction différent. A la sortie de l’élément biréfringent circulaire, la polarisation circulaire droite et la polarisation circulaire gauche sont déphasées d’une quantité. La détection d’une biréfringence circulaire traduit par exemple le caractère chiral des molécules qui constituent par exemple le milieu. Ce phénomène de rotation est par exemple observé dans des solutions de substances organiques naturels tel le sucre.
Des travaux récents ont pu mettre en évidence par exemple qu’une analyse spécifique du retard de phase permet de caractériser à l’échelle submicronique la structure des tissus biologiques, et notamment de discriminer les zones saines et les zones pathologiques d’un tissu. D’autres travaux d’imagerie polarimétrique réalisés sur des tissus ont pu montrer qu’il est possible de mesurer les orientations des fibres de collagène par l’analyse de l’orientation des axes lents du retard de phase linéaire.
L’imagerie polarimétrique est donc une technique particulièrement intéressante pour la caractérisation de tissus biologiques en vue de détection de diverses pathologies.
Toutefois l’utilisation de la technique d’imagerie polarimétrique exige que les états de polarisation du faisceau lumineux incidents qui sondent l’échantillon soient connus et que ceux qui sont réfléchis par l’échantillon puissent être directement analysés et déterminés. Ces conditions nécessitent donc l’utilisation d’un faisceau lumineux en visée directe et en espace libre, empêchant ainsi l’utilisation d’une fibre optique afin de déporter la lumière entre la source lumière et l’échantillon d’une part, entre l’échantillon et le système d’analyse d’autre part afin de réaliser des mesures d’informations de polarisation d’une région cible d’intérêt située dans une zone difficile d’accès, au sein d’un corps creux par exemple.
Ainsi, jusqu’à présent, l’imagerie polarimétrique est généralement utilisée dans le cas des analyses des tissus d’une région facilement d’accès, de type examen dermatologique ou des tissus biologiques provenant de biopsies d’organes.
Afin d’éviter ces biopsies qui sont très invasives pour les patients et de pouvoir analyser des tissus biologiquesin vivo,in situ, le document FR2 941 048 décrit un dispositif de détermination d’une information de polarisation en un point d’un échantillon par voie endoscopique, basé sur l’utilisation d’une fibre optique monomode. Cette technique permet de mesurer le retard de phase linéaire d’échantillons biréfringents situés à l’extrémité distale de la fibre optique. La mesure par la voie endoscopique est rendue possible grâce à l’installation d’un rotateur de Faraday à l’extrémité distale de la fibre optique, permettant de compenser la perturbation de la fibre optique.
Selon ce document, le dispositif de détermination d’une information de polarisation comprend une source lumineuse, une fibre optique monomode à la longueur d’onde du faisceau lumineux émis par la source lumineuse qui permet de guider le faisceau incident sur l’échantillon cible. En sortie de la fibre optique, l’état de polarisation du faisceau incident est modifié en raison de la biréfringence de la fibre optique monomode. Pour compenser la biréfringence de la fibre optique, le dispositif comprend un rotateur de Faraday disposé à l’extrémité distale de la fibre. Le rotateur de Faraday impose une rotation des états de polarisation en sortie de la fibre optique de +45°, avant d’être focalisé sur l’échantillon à analyser. Une partie de la lumière réfléchie par un miroir sous l’échantillon traverse deux fois l’échantillon avant de retraverser le rotateur de Faraday. Après réflexion du faisceau incident sur l’échantillon cible, le rotateur Faraday fait tourner deux composantes polarimétriques orthogonales du faisceau réfléchi d’un angle 45° dans le même sens de rotation. Le faisceau réfléchi traverse de nouveau le rotateur de Faraday qui impose la même rotation dans le même sens sur les états de polarisation lors du trajet retour par rapport à la première traversée, ce qui annule les modifications polarimétriques dues à la fibre optique et ne conserve que les modifications polarimétriques dues à l’échantillon. Le faisceau réfléchi est acheminé vers un cube séparateur qui sépare les deux composantes polarimétriques orientées dans la direction parallèle à la direction de polarisation de la source et dans la direction orthogonale. Deux photodiodes mesurent respectivement leurs intensités. Pour chacun des états de polarisation sonde, on mesure donc une fraction de l’intensité. A partir de la valeur minimale de la fraction et la valeur maximale, on déduit le retard de phase linéaire de l’échantillon cible biréfringent de l’échantillon.
Toutefois la technique de mesure mise en œuvre par ce dispositif ne permet pas de mesurer toutes les informations polarimétriques d’un échantillon en même temps et en un seul point de l’échantillon. En effet, ce dispositif peut être utilisé pour effectuer des mesures uniquement sur un échantillon cible présentant une biréfringence linéaire, en d’autres termes la mesure de biréfringence sera faussée si l’échantillon présente une dépolarisation non nulle ou un dichroïsme linéaire non nul. En outre, l’utilisation d’un rotateur de faraday à l’extrémité de la fibre optique crée des difficultés pour la réalisation d’une tête endoscopique miniaturisée capable de réaliser un balayage de la cible en vue de reconstruire des images polarimétriques.
Enfin, aucun des dispositifs de mesure existant ne permet de mesurer à la fois les paramètres polarimétriques de la lumière réfléchie par l’échantillon cible et la fluorescence émise par l’échantillon en un même point de l’échantillon.
Il est donc souhaitable de disposer d’un dispositif de mesure qui soit rapide et facile à mettre en œuvre pour accéder à l’ensemble des informations polarimétriques de l’échantillon. Un autre objectif de l’invention est de proposer une technique de mesure qui permet de déterminer toutes les caractéristiques polarimétriques de l’échantillon, et ce quelle que soit le type de biréfringence de l’échantillon. Enfin, la présente invention a également pour objectif de proposer un dispositif qui permet d’utiliser différents modes d’imagerie différents sur un même échantillon, en mode polarisation confocal, en mode fluorescence confocal, en mode topographie confocal, en mode épifluorescence, en mode champ clair et en mode polarisation croisée, de manière séquentielle dans le temps.
Il est proposé un dispositif de mesure optique d’un échantillon cible, comprenant
- au moins une source adaptée pour émettre un premier faisceau lumineux monochromatique incident à au moins une première longueur d’onde (λ1);
- un générateur d’état de polarisation agencé en sortie de la source et configuré pour générer un nombre d’états de polarisation du faisceau lumineux incident ;
- un diviseur de faisceau lumineux configuré pour séparer le faisceau incident en une première fraction de faisceau incident et une seconde fraction de faisceau incident et transmettre ladite seconde fraction de faisceau incident vers un système de focalisation et de collecte de faisceau lumineux pour illuminer une zone d’étude de l’échantillon cible, ledit diviseur de faisceau étant configuré pour envoyer le faisceau réfléchi par l’échantillon cible vers un premier système de détection ;
- un analyseur d’états de polarisation agencé entre le diviseur de faisceau et le système de détection et configuré pour analyser la polarisation dudit faisceau réfléchi par l’échantillon cible ;
- au moins un moyen optique de guidage agencé sur le trajet optique entre la source et le système de focalisation et de collecte de faisceau et configuré pour transporter le premier faisceau incident et le faisceau réfléchi par l’échantillon cible ;
- ledit premier système de détection comprenant un séparateur de polarisation pour séparer le faisceau réfléchi par l’échantillon en deux composantes de polarisation orthogonales, et au moins un détecteur pour mesurer une des deux composantes du faisceau réfléchi en sortie dudit séparateur de polarisation ;
- une unité de traitement de données configurée pour calculer des informations à partir des signaux transmis par le premier système de détection.
- au moins une source adaptée pour émettre un premier faisceau lumineux monochromatique incident à au moins une première longueur d’onde (λ1);
- un générateur d’état de polarisation agencé en sortie de la source et configuré pour générer un nombre d’états de polarisation du faisceau lumineux incident ;
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- une unité de traitement de données configurée pour calculer des informations à partir des signaux transmis par le premier système de détection.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre
- une première source adaptée pour émettre ledit premier faisceau monochromatique incident à une première longueur d’onde (λ1) et une seconde source adaptée pour émettre un second faisceau monochromatique lumineux incident à au moins une seconde longueur d’onde (λ2),
- une unité optique d’acheminement mobile configurée pour recevoir le second faisceau incident et à envoyer ledit second faisceau incident vers ledit système de focalisation et de collecte pour illuminer une zone d’étude de l’échantillon, ladite unité optique d’acheminement étant positionnée sur le trajet optique de ladite seconde fraction du premier faisceau incident en sortie du diviseur de faisceau de sorte que le second faisceau incident et la seconde fraction du premier faisceau incident soient coaxiaux et passent par le même chemin de focalisation du système de focalisation et de collecte ;
- ladite unité optique d’acheminement étant configurée pour recevoir un faisceau de fluorescence émis par l’échantillon et à envoyer ledit faisceau de fluorescence vers un second système de détection ;
- ladite unité de traitement de données étant configurée pour calculer des informations à partir des signaux transmis par ledit second système de détection.
- une première source adaptée pour émettre ledit premier faisceau monochromatique incident à une première longueur d’onde (λ1) et une seconde source adaptée pour émettre un second faisceau monochromatique lumineux incident à au moins une seconde longueur d’onde (λ2),
- une unité optique d’acheminement mobile configurée pour recevoir le second faisceau incident et à envoyer ledit second faisceau incident vers ledit système de focalisation et de collecte pour illuminer une zone d’étude de l’échantillon, ladite unité optique d’acheminement étant positionnée sur le trajet optique de ladite seconde fraction du premier faisceau incident en sortie du diviseur de faisceau de sorte que le second faisceau incident et la seconde fraction du premier faisceau incident soient coaxiaux et passent par le même chemin de focalisation du système de focalisation et de collecte ;
- ladite unité optique d’acheminement étant configurée pour recevoir un faisceau de fluorescence émis par l’échantillon et à envoyer ledit faisceau de fluorescence vers un second système de détection ;
- ladite unité de traitement de données étant configurée pour calculer des informations à partir des signaux transmis par ledit second système de détection.
Selon un exemple de réalisation, l’unité optique d’acheminement comprend un miroir dichroïque permettant la réflexion d’un faisceau lumineux à la longueur d’onde du second faisceau lumineux incident émise par la seconde source et la transmission d’un faisceau lumineux aux autres longueurs d’ondes, un miroir de réflexion permettant la réflexion d’un faisceau lumineux à une longueur d’onde différente de la longueur d’onde dudit second faisceau incident émise par la seconde source.
Selon un exemple de réalisation, le second système de détection comprend un dispositif de filtrage optique pour filtrer en longueur d’onde, le faisceau de fluorescence émis par ledit échantillon cible, de manière à sélectionner, en sortie dudit dispositif de filtrage optique, un faisceau de fluorescence à une ou plusieurs longueurs d’onde différentes de la seconde longueur d’onde du second faisceau incident, et un détecteur pour mesurer l’intensité dudit faisceau de fluorescence émis par l’échantillon.
Selon un autre exemple de réalisation, ledit au moins un moyen de guidage comprend une première fibre optique agencée entre la première source et le générateur d’états de polarisation, une deuxième fibre optique agencée entre le générateur d’états de polarisation et le diviseur de faisceau, une troisième fibre optique agencée entre le diviseur de faisceau et le système de focalisation et de collecte de faisceau et une quatrième fibre optique agencée entre la seconde source et l’unité optique d’acheminement de faisceau.
De manière avantageuse, la troisième fibre optique a son extrémité distale placée dans le plan focal conjugué au plan focal du système de focalisation et de collecte de faisceau.
Selon un exemple de réalisation, le dispositif comprend en outre un premier miroir de calibration configuré pour réfléchir la première fraction du premier faisceau incident provenant du diviseur de faisceau vers l’analyseur d’états de polarisation et le premier système de détection pour déterminer les états de polarisation du premier faisceau indicent au niveau du diviseur de faisceau.
Selon un exemple de réalisation, le dispositif, comprend en outre un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon cible et configuré pour réfléchir la seconde fraction du premier faisceau incident provenant du diviseur de faisceau, le faisceau réfléchi par ledit second miroir de calibration étant utilisé pour déterminer les états de polarisation du premier faisceau incident au niveau de l’échantillon.
Selon un autre exemple de réalisation, le système de focalisation et de collecte de faisceau lumineux comprend un ensemble d’éléments optiques commutable entre une position réfléchissante et une position passante, permettant dans la position réfléchissante, la réflexion d’un faisceau réfléchi par l’échantillon pour une mesure polarimétrique confocale ou la réflexion d’un faisceau de fluorescence émis par l’échantillon pour une mesure de fluorescence confocale et, dans une position passante, la transmission d’un faisceau de fluorescence émis par l’échantillon et focalisé vers une caméra pour une mesure d’épifluorescence.
De préférence, l’ensemble d’éléments optiques comprend un miroir adapté pour réfléchir le faisceau réfléchi par l’échantillon, un miroir adapté pour réfléchir le faisceau de fluorescence émis par l’échantillon, un miroir dichroïque adapté pour transmettre le faisceau de fluorescence émis par l’échantillon, un polariseur adapté pour polariser un faisceau transmis par l’échantillon et transmettre le faisceau polarisé vers la caméra.
Selon un exemple de réalisation, le système de focalisation et de collecte comporte un système de balayage configuré pour diriger le faisceau incident vers une pluralité de points de mesure de l’échantillon cible.
Selon un autre exemple de réalisation, l’unité de traitement de données comprend une unité de commande dudit système de balayage, une unité de construction d’images synchronisée avec ladite unité de commande, ladite unité de construction d’images étant configurée pour générer des images dont chaque pixel est représentatif d’une information d’un point de mesure de l’échantillon cible.
De préférence, ladite unité de traitement de données comprend une unité de calcul configurée pour :
-déterminer les états de polarisation du premier faisceau incident au niveau du diviseur ;
- déterminer les états de polarisation du premier faisceau incident au niveau de l’échantillon ;
- déterminer les états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon ;
- déterminer une matrice de Mueller (M) associée à l’échantillon.
-déterminer les états de polarisation du premier faisceau incident au niveau du diviseur ;
- déterminer les états de polarisation du premier faisceau incident au niveau de l’échantillon ;
- déterminer les états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon ;
- déterminer une matrice de Mueller (M) associée à l’échantillon.
Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de détermination d’au moins une information sur la polarisation en un point de mesure d’un échantillon cible mettant en œuvre le dispositif tel que décrit ci-dessus et dans lequel le générateur d’états de polarisation est placé entre une lentille de focalisation et le diviseur de faisceau, le procédé comprenant une phase de calibration et une phase de mesure,
ladite phase de calibration comprenant les étapes suivantes :
- émission d’un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée vers un générateur d’états de polarisation;
- génération d’un nombre d’états de polarisation du faisceau incident à l’aide du générateur d’états de polarisation ;
- division du faisceau incident en une première fraction et en une seconde fraction ;
- guidage de la seconde fraction vers un système de focalisation et de collecte par une fibre optique;
- focalisation de la seconde fraction vers un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon cible ;
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par le second miroir de calibration à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation ;
- détermination des états de polarisation du faisceau incident (S2’) au niveau de l’échantillon cible;
ladite phase de mesure comprenant les étapes suivantes :
- émission d’un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée vers le générateur d’états de polarisation ;
- génération d’un nombre d’états de polarisation du faisceau incident à l’aide du générateur d’états de polarisation, les états étant les mêmes qu’à l’étape;
- division du faisceau incident en une première fraction et en une seconde fraction;
- guidage de la seconde fraction vers un système de focalisation et de collecte par une fibre optique;
- focalisation de la seconde fraction vers un point de mesure d’une zone d’étude de l’échantillon cible;
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation ;
- détermination des états de polarisation du faisceau réfléchi (S3’) par l’échantillon cible;
- calcul de la matrice de Mueller (M) associée au point de mesure de l’échantillon.
ladite phase de calibration comprenant les étapes suivantes :
- émission d’un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée vers un générateur d’états de polarisation;
- génération d’un nombre d’états de polarisation du faisceau incident à l’aide du générateur d’états de polarisation ;
- division du faisceau incident en une première fraction et en une seconde fraction ;
- guidage de la seconde fraction vers un système de focalisation et de collecte par une fibre optique;
- focalisation de la seconde fraction vers un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon cible ;
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par le second miroir de calibration à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation ;
- détermination des états de polarisation du faisceau incident (S2’) au niveau de l’échantillon cible;
ladite phase de mesure comprenant les étapes suivantes :
- émission d’un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée vers le générateur d’états de polarisation ;
- génération d’un nombre d’états de polarisation du faisceau incident à l’aide du générateur d’états de polarisation, les états étant les mêmes qu’à l’étape;
- division du faisceau incident en une première fraction et en une seconde fraction;
- guidage de la seconde fraction vers un système de focalisation et de collecte par une fibre optique;
- focalisation de la seconde fraction vers un point de mesure d’une zone d’étude de l’échantillon cible;
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation ;
- détermination des états de polarisation du faisceau réfléchi (S3’) par l’échantillon cible;
- calcul de la matrice de Mueller (M) associée au point de mesure de l’échantillon.
Selon un autre aspect, il est proposé un procédé de détermination d’au moins une information sur la polarisation en un point de mesure d’un échantillon cible mettant en œuvre le dispositif tel que défini ci-dessus et dans lequel le générateur d’états de polarisation est placé entre une première et une deuxième fibres optiques, le procédé comprenant une phase de calibration et une phase de mesure, la phase de calibration comprenant les étapes suivantes :
- émission d’un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée vers un générateur d’états de polarisation;
- guidage du faisceau incident à l’aide de la première fibre optique vers le générateur d’états de polarisation ;
- génération d’un nombre d’états de polarisation du faisceau incident à l’aide du générateur d’états de polarisation;
- guidage du faisceau incident à l’aide de la deuxième fibre optique vers le diviseur de faisceau ;
- division du faisceau incident en une première fraction et une seconde fraction par le diviseur de faisceau ;
- réflexion de la première fraction par un premier miroir de calibration ;
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par le premier miroir de calibration ;
- détermination des états de polarisation du faisceau incident (S1) au niveau du diviseur de faisceau ;
- guidage de la seconde fraction vers un système de focalisation et de collecte par une troisième fibre optique;
- focalisation de la seconde fraction vers un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon cible ;
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par le second miroir de calibration à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation ;
- détermination des états de polarisation du faisceau incident (S2) au niveau de l’échantillon cible;
ladite phase de mesure comprenant les étapes suivantes :
- émission d’un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée;
- guidage du faisceau incident à l’aide d’une première fibre optique vers un générateur d’états de polarisation ;
- génération d’un nombre d’états de polarisation du faisceau incident à l’aide du générateur d’états de polarisation;
- guidage du faisceau incident à l’aide d’une deuxième fibre optique vers un diviseur de faisceau;
- division du faisceau incident en une première fraction et en une seconde fraction;
- guidage de la seconde fraction vers un système de focalisation et de collecte par une troisième fibre optique;
- focalisation de la seconde fraction vers un point de mesure d’une zone d’étude de l’échantillon cible;
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation ;
- détermination des états de polarisation du faisceau réfléchi (S3) par l’échantillon cible;
- calcul de la matrice de Mueller (M) associée au point de mesure de l’échantillon.
- émission d’un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée vers un générateur d’états de polarisation;
- guidage du faisceau incident à l’aide de la première fibre optique vers le générateur d’états de polarisation ;
- génération d’un nombre d’états de polarisation du faisceau incident à l’aide du générateur d’états de polarisation;
- guidage du faisceau incident à l’aide de la deuxième fibre optique vers le diviseur de faisceau ;
- division du faisceau incident en une première fraction et une seconde fraction par le diviseur de faisceau ;
- réflexion de la première fraction par un premier miroir de calibration ;
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par le premier miroir de calibration ;
- détermination des états de polarisation du faisceau incident (S1) au niveau du diviseur de faisceau ;
- guidage de la seconde fraction vers un système de focalisation et de collecte par une troisième fibre optique;
- focalisation de la seconde fraction vers un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon cible ;
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par le second miroir de calibration à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation ;
- détermination des états de polarisation du faisceau incident (S2) au niveau de l’échantillon cible;
ladite phase de mesure comprenant les étapes suivantes :
- émission d’un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée;
- guidage du faisceau incident à l’aide d’une première fibre optique vers un générateur d’états de polarisation ;
- génération d’un nombre d’états de polarisation du faisceau incident à l’aide du générateur d’états de polarisation;
- guidage du faisceau incident à l’aide d’une deuxième fibre optique vers un diviseur de faisceau;
- division du faisceau incident en une première fraction et en une seconde fraction;
- guidage de la seconde fraction vers un système de focalisation et de collecte par une troisième fibre optique;
- focalisation de la seconde fraction vers un point de mesure d’une zone d’étude de l’échantillon cible;
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation ;
- détermination des états de polarisation du faisceau réfléchi (S3) par l’échantillon cible;
- calcul de la matrice de Mueller (M) associée au point de mesure de l’échantillon.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
.
Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
Sur les différentes figures, les éléments désignés par la même référence désignent des éléments identiques ou similaires.
Il est maintenant fait référence à la qui illustre un dispositif de mesure 1 selon un premier mode de réalisation qui permet son utilisation en mode polarisation confocale pour obtenir des informations de polarisation d’un échantillon cible 60.
Comme indiqué ci-dessus, le dispositif de la présente invention permet de mesurer avantageusement la matrice de Mueller de l’échantillon qui contient l’ensemble des informations sur le comportement polarimétrique de l’échantillon : dépolarisation, biréfringence linéaire/circulaire, dichroïsme linéaire /circulaire. Ces informations permettent de remonter aux caractéristiques sur la micro ou nanostructure d’échantillon cible, sur sa texture en surface et à faible profondeur sous la surface.
Le dispositif de mesure 1 fonctionne de la façon suivante. Un faisceau lumineux incident polarisé est dirigé vers une zone d’étude de l’échantillon 60 que l’on souhaite analyser. L’état de la polarisation du faisceau lumineux réfléchi par l’échantillon cible est ensuite analysé pour déterminer les informations de polarisation. Plus précisément, un générateur d’états de polarisation est positionné sur le trajet du faisceau lumineux incident pour générer quatre états polarisation et un analyseur d’état de polarisation est positionné sur le trajet du faisceau réfléchi pour analyser chacun des quatre états de polarisation du faisceau lumineux réfléchi par l’échantillon cible.
On va maintenant décrire plus en détail les différents éléments du dispositif 1 de la .
Le dispositif de mesure 1 comprend une source lumineuse 2 configurée pour émettre un faisceau lumineux monochromatique à au moins une première longueur d’onde, des moyens optiques de guidage pour guider le faisceau incident de la source lumineuse 2 vers l’échantillon 60 et pour guider le faisceau réfléchi par l’échantillon 60 sur le trajet de retour vers un premier système de détection 10.
Le dispositif de mesure comprend en outre un générateur d’états de polarisation 3G permettant la génération d’un nombre donné d’états de polarisation du faisceau lumineux, un diviseur de faisceau 9 qui permet de diviser le faisceau incident en une première fraction de faisceau incident et une seconde fraction de faisceau incident, un analyseur d’états de polarisation 3A, un système optique de focalisation et de collecte de faisceau 40, et une unité de calcul 70. L’échantillon est disposé de sorte que le faisceau incident en sortie du système de focalisation 40 soit en incidence normal sur l’échantillon 60.
Avantageusement, le dispositif de mesure de la présente divulgation comprend un premier miroir de calibration 15 agencé par rapport au diviseur de faisceau 9 de manière à réfléchir la première fraction de faisceau incident et un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon 60 pour réfléchir la seconde fraction faisceau incident.
Dans la suite de la description, le faisceau lumineux est appelée « faisceau incident » sur l’ensemble du trajet de la source lumineuse 2 à l’échantillon 60, et « faisceau réfléchi » sur l’ensemble du trajet de l’échantillon cible 60 au premier système de détection.
Dans la suite de la description, les termes « amont » et « aval » sont définis en fonction du sens du faisceau lumineux.
Les moyens optiques de guidage comprennent un jeu de fibres optiques et un jeu de lentilles de focalisation permettant la transmission du faisceau lumineux. Le jeu de fibres optiques comprend une première fibre optique 5 transportant le faisceau lumineux incident de la source 2 vers le générateur d’états de polarisation 3G, une deuxième fibre optique 6 transportant le faisceau incident en sortie du générateur 3G vers le diviseur de faisceau 9 et une troisième fibre optique 7 transportant le faisceau lumineux incident en sortie du diviseur de faisceau jusqu’à l’entrée du système de focalisation et de collecte 40. La troisième fibre optique 7 transporte également le faisceau réfléchi en sortie du système de focalisation et de collecte 40.
Les trois fibres optiques 5, 6, 7 sont ici constituées chacune par une fibre optique monomode. La fibre optique peut être une fibre optique à maintien de polarisation. Une fibre optique monomode présente l’avantage par rapport à une fibre optique multimodale de ne pas dépolariser le faisceau lumineux injecté dans la fibre lors de la traversée d’une fibre optique monomode. L’état de polarisation du faisceau est modifié en sortie de la fibre optique.
Contrairement au dispositif de mesure polarimétrique de l’art antérieur qui nécessite l’utilisation d’un faisceau lumineux en espace libre afin de ne pas modifier la polarisation du faisceau incident qui vient sonder l’échantillon, le dispositif de la présente divulgation utilise des fibres optiques pour guider l’acheminement du faisceau lumineux vers l’échantillon cible. Grâce à son architecture spécifique qui permet de dissocier les modifications polarimétriques dues aux fibres optiques de celles dues à l’échantillon, il est possible de mesurer les états de polarisation du faisceau lumineux incident après avoir propagé dans une fibre optique et les états de polarisation du faisceau lumineux réfléchi par l’échantillon. Ainsi, en connaissant les états de polarisation du faisceau incident et du faisceau réfléchi par l’échantillon, on peut obtenir la matrice de Mueller associée à l’échantillon et déterminer les informations de polarisation à partir des coefficients polarimétriques de la matrice de Mueller.
Chaque fibre optique 5, 6, 7 comporte respectivement une extrémité 5a, 6a, 7a dite extrémité proximale, l’extrémité la plus proche de la source lumineuse 2, et une extrémité 5b, 6b, 7b, dite extrémité distale, l’extrémité la plus proche de l’échantillon cible 10.
Comme cela est représenté de manière schématique sur la , les moyens optiques de guidage comprennent une première lentille de focalisation 4A positionnée à l’extrémité distale 6b de la deuxième fibre optique et en amont du diviseur de faisceau 9. Cette première lentille de focalisation 4A est destinée à collimater le faisceau lumineux en sortie de la deuxième fibre optique 6 sur le diviseur de faisceau 9.
Les moyens optiques de guidage comprennent une deuxième lentille de focalisation 4B, en amont de la troisième fibre optique 7 pour focaliser le faisceau lumineux en sortie du diviseur de faisceau 9 sur l’entrée 7a de la troisième fibre optique 7 et une troisième lentille de focalisation 4C, en aval de la troisième fibre optique 7 pour collimater le faisceau lumineux en sortie 7b de la troisième fibre optique 7 sur l’entrée du système focalisation et de collecte de faisceau 40.
La troisième fibre optique 7 est également utilisée pour transporter le faisceau lumineux réfléchi par l’échantillon cible et collecté par le système de focalisation et de collecte 40. Le faisceau réfléchi collecté par le système de focalisation 40 est de nouveau focalisé sur l’extrémité distale 7b de la troisième fibre optique monomode 7 et se propage dans le sens de retour dans la fibre optique 7. Ainsi, le système de focalisation 40 est confocal.
La source lumineuse 2 est adaptée pour émettre un premier faisceau lumineux incident quasi monochromatique à une première longueur d’onde λ1.
Selon un exemple de réalisation, La source 2 est formée d’une pluralité de sources laser monochromatiques.
Selon une alternative, la source 2 comprend une source accordable en longueur d’onde. Dans le cas de l’utilisation du dispositif de mesure pour analyser des tissus biologiques, la longueur d’onde choisie est par exemple une longueur d’onde présentant une faible absorbance dans les tissus biologiques. La longueur d’onde peut être comprise entre 200 nm et 2000 nm dans le cas où le générateur d’états de polarisation 3G est placé en espace libre. Dans le cas où le faisceau incident est guidé par des fibres optiques, la longueur d’onde est de préférence comprise entre 400 nm et 650 nm.
Le faisceau lumineux incident émis par la source 2 est injecté dans la première fibre optique 5 qui transporte le faisceau incident vers le générateur de polarisation 3G qui permet de générer un nombre donné d’états de polarisation de faisceau lumineux. La fibre optique 5 peut être la même que la fibre optique 7.
De manière connue, le générateur d’états de polarisation 3G est par exemple constitués par une cellule à cristaux liquides nématiques dont la biréfringence varie entre 0 à 2π en fonction de la tension appliquée ou une cellule à cristaux liquides ferroélectriques, dont la biréfringence commute entre 0 et 2π en fonction de la tension appliquée, associées à une lame de phase. Selon un phénomène physique connu, la cellule est formée de molécules qui sont de forme allongée et l’indice optique vue par une onde les traversant est différent selon la direction longitudinale et la direction transverse. En faisant varier le champ électrique dans lequel sont plongés les molécules qui sont des dipôles électriques, l’orientation de ces molécules relativement à la direction transverse de l’onde incident varie, faisant varier la biréfringence de la cellule. Un générateur de tension est relié aux bornes des électrodes de la cellule et est adapté pour générer un champ électrique qui a pour effet de faire varier l’état de polarisation du faisceau traversant le générateur 3G.
En sortie du générateur de polarisation 3G, le faisceau incident est ensuite guidé par une deuxième fibre optique 6 qui peut être identique à la fibre optique 7 et collimaté par la lentille 4A. Il est divisé ensuite par le diviseur de faisceau 9 en une première fraction de faisceau et une seconde fraction de faisceau. Le diviseur de faisceau 9 est neutre à la polarisation. Il n’affecte que l’intensité du faisceau acheminé par la première fibre optique 5 et la deuxième fibre optique 6.
La première fraction de faisceau traverse un obturateur électromécanique 14 et est réfléchie par le miroir de calibration 15. Le faisceau réfléchi par le miroir de calibration 15 traverse de nouveau le diviseur de faisceau 9. Le faisceau réfléchi traverse l’analyseur 3A et envoyé vers le premier système de détection 10. L’analyseur 3A peut être constitué des mêmes éléments que le générateur 3G. La mesure de l’intensité du faisceau réfléchi par le miroir de calibration 15 est utilisé pour déterminer les états de polarisation du faisceau incident au niveau du diviseur de faisceau 9 lors d’une phase de calibration du faisceau incident lorsque le générateur d’états de polarisation est fibré.
En sortie du diviseur de faisceau 9, la seconde fraction du faisceau incident est injectée par la lentille 4B dans la troisième fibre optique 7 qui permet de guider et déporter le faisceau incident vers le système de focalisation et de collecte de faisceau lumineux 40. Le faisceau incident en sortie de la troisième fibre optique 7 est collimaté par une lentille 4C et envoyé vers le système de focalisation et de collecte de faisceau. Le faisceau incident est focalisé sur un point de mesure de l’échantillon cible lors d’une phase de mesure. Lors d’une phase de calibration, le faisceau incident est focalisé sur un second miroir de calibration (non illustré sur la ) positionné au niveau de l’échantillon cible 60.
L’échantillon cible est associé à un repère orthonormé (x, y, z). L’axe z est un axe perpendiculaire à la surface d’analyse de l’échantillon, et le plan (x, y) est parallèle à la surface de l’échantillon.
Dans le cas de l’utilisation du dispositif de mesure pour des tissus biologiques de biopsie, l’échantillon est déposé sur un support qui peut être déplacé suivant les deux axes x et y. Dans ce cas l’échantillon présente une interface avec le support.
Le système optique de focalisation et de collecte 40 comprend un premier système de balayage selon l’axe Z qui permet un réglage de la focalisation sur un point de mesure appartenant à une tranche plane de l’échantillon. De manière connue, le système de balayage selon l’axe Z peut être formé par un moteur de déplacement piézo-électrique. En d’autres termes, le système optique de focalisation permet de déplacer le point de mesure dans l’épaisseur de l’échantillon. L’épaisseur de la tranche dépend de la longueur d’onde du faisceau incident et de l’ouverture numérique de l’objectif. La position selon l’axe z de la tranche dans l’échantillon est déterminée par la distance entre l’objectif et l’échantillon. En outre, le système optique comprend un système de balayage angulaire 41 pour déplacer la position du point de mesure dans un plan focal du système de focalisation. En d’autres termes, le système de balayage angulaire permet de focaliser et balayer un ensemble des positions (x, y) dans un plan focal de l’échantillon. De manière connue, l’élément de balayage angulaire est formé par exemple par un micro-miroir électromagnétique 41. L’orientation de ce miroir est commandée en lui appliquant des tensions adaptées pour balayer l’ensemble des positions. Ainsi, en associant les deux systèmes de balayages dans le système de focalisation, il est possible de réaliser des points de mesure suivant les trois directions x, y et z. Il est donc possible de générer des images tridimensionnelles construite à partir d’un ensemble de points de mesure de l’échantillon, à chaque point de mesure étant associées des informations de polarisation.
De manière avantageuse, le système de focalisation et de collecte 40 comprend un obturateur électromécanique 43 qui est placé entre la lentille de focalisation 42 et le miroir 48 qui est monté dans une monture 44. Il permet de calibrer le sens d’oscillation du faisceau incident dans le cas où l’élément de balayage est un miroir résonnant. Le faisceau incident est réfléchi par le miroir 48 en direction de l’échantillon 60. Le faisceau incident est ensuite focalisé par un ensemble de lentilles 45, 47 en un point de la zone d’étude de l’échantillon.
Une partie du faisceau incident est réfléchie par la surface d’une tranche de l’échantillon ou par l’interface entre l’échantillon et le support si le faisceau incident a traversé entièrement l’épaisseur de l’échantillon. De manière avantageuse, la surface du support peut être éventuellement traitée par un dépôt dichroïque permettant d’augmenter la réflectivité de la surface. Le faisceau réfléchi est collecté en sens inverse par le système de focalisation et de collecte 40 et est focalisé dans le cœur de la troisième fibre optique monomode 7. Le faisceau réfléchi se propage dans le sens de retour dans le cœur de la fibre optique. Ainsi, le système de focalisation est confocal et le cœur de la fibre optique joue le rôle du trou de filtrage qui permet de sélectionner le plan focal de l’échantillon.
Le faisceau incident est réfléchi sur le point de mesure de l’échantillon cible qui modifie la polarisation du faisceau incident. Les composantes polarimétriques du faisceau incident sont différentes des composantes polarimétriques du faisceau réfléchi.
Le faisceau réfléchi est guidé de nouveau par la troisième fibre optique 7 vers le diviseur de faisceau 9. Le faisceau réfléchi est divisé en deux faisceaux dont une fraction est envoyée vers l’analyseur de polarisation 3A. Le faisceau réfléchi en sortie de l’analyseur est envoyé vers le premier système de détection 10.
Le premier système de détection 10 comprend un séparateur de polarisation 13, un détecteur tel qu’une photodiode 12. Le séparateur de polarisation 13 sépare le faisceau réfléchi provenant du diviseur de faisceau 9 en deux composantes de polarisation orthogonales. L’intensité de l’une des deux composantes est ensuite mesurée par la photodiode 12 qui permet de convertir en électrons les photos qu’il reçoit du faisceau réfléchi. Le détecteur comprend un convertisseur analogique-numérique adapté pour convertir les signaux en valeurs numériques.
Selon un exemple de réalisation, le premier système de détection 10 comprend un unique détecteur pour réaliser des mesures en mode de polarisation.
Selon un autre exemple de réalisation, le premier système de détection comprend en outre un second détecteur, par exemple un photomultiplicateur 11 pour réaliser par exemple des mesures en mode de topographie en plus des mesures en mode de polarisation.
Les valeurs numériques sont transmises à une unité de traitement de données 70 qui est adaptée pour générer des images en mode de polarisation confocal.
Selon un mode de réalisation, l’unité de traitement de données 70 comprend une unité de calcul 71 (CALC) configurée pour calculer les informations de polarisation à partir des mesures transmises par le système de détection 10, une unité de commande 72 (COM) qui contrôle le système de balayage et les différents éléments électromécaniques du dispositif de mesure et une unité de construction d’images 73 (IMA).
L’unité de construction d’images 73 est synchronisée avec l’unité de commande 72 de manière à pouvoir associer chaque information de polarisation déterminée par l’unité de calcul 71 à une position correspondante sur l’échantillon cible.
L’unité de construction 73 reçoit les informations de polarisation pour chaque point mesuré dont la position est connue dans le repère orthonormée (x, y, z) associé à l’échantillon. Chaque pixel sur l’image qui représente un point de mesure de l’échantillon est associé à au moins une information de polarisation.
Selon un exemple de réalisation, l’image polarimétrique générée par l’unité de construction représente en chaque pixel une valeur du déphasage et une valeur de l’orientation de l’axe rapide.
La montre à titre d’exemple des images d’ongle en mode polarisation confocal. L’image (a) représente une image en intensité laser transmise par l’échantillon. L’image (b) représente la retardance de l’échantillon. L’image (c) représentant les orientations d’axes neutres.
L’unité de calcul 71 est configurée pour calculer les paramètres polarimétriques du faisceau réfléchi au point de mesure de l’échantillon cible à partir des signaux électriques mesurés par le détecteur 12. Plus précisément, le calcul est basé sur un formalisme qui consiste à représenter la manière dont le milieu constituant l’échantillon modifie la polarisation d’un faisceau lumineux incident par une représentation matricielle, appelée matrice de Mueller (M) d’ordre 4 comportant un ensemble de seize coefficients. La détermination de ces seize coefficients permet de caractériser complètement la réponse polarimétrique de l’échantillon. Par exemple dans le cas d’un échantillon biréfringent linéaire, la détermination de cette matrice permet de déterminer la biréfringence Δn et l’orientation de l’axe rapide. La matrice de Mueller constitue ainsi un moyen de caractérisation polarimétrique de l’échantillon.
L’application de ce formalisme dans le cadre des traitements des données collectées par le dispositif de la présente invention est décrite ci-dessus.
De manière connue, l’état de polarisation d’un faisceau incident, appelé également l’état sonde sur un échantillon S0est décrit par un vecteur de Stokes défini par un ensemble de quatre valeurs appelés paramètres de Stokes :
Où I0représente l’intensité totale, Q0représente l’intensité polarisée selon la verticale et horizontale, U0l’intensité polarisée selon ±45°, et V0l’intensité polarisée selon un état circulaire de chiralité gauche/droite. Les quatre valeurs permettent de décrire de façon complète la lumière non polarisée, partiellement polarisée et totalement polarisée.
La réponse polarimétrique d’un échantillon peut être caractérisée par une matrice de Mueller (M) qui est une matrice de taille d’ordre 4. En déterminant les 16 données de la matrice, il est possible de caractériser structurellement l’échantillon.
Après réflexion sur l’échantillon, l’état de polarisation du faisceau réfléchi S1est lié à S0selon la relation suivante : S1=MS0.
Le dispositif de la présente divulgation permet d’éclairer l’échantillon avec au moins quatre états de polarisation différents et d’analyser chacun des états de polarisation renvoyées sur au moins quatre autres états de polarisation. Plus précisément, le système de source permet l’envoi d’un faisceau lumineux dans le générateur d’état d’états de polarisation pour générer quatre états de polarisation, chacun défini par un vecteur de Stokes. Chacun des quatre états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon est ensuite analysé au moyen d’un analyseur d’état de polarisation qui permet de déterminer le vecteur de Stokes du faisceau réfléchi par l’échantillon. En déterminant les quatre couples (au minimum) de vecteurs S0et S1, on construit la matriceMde l’échantillon.
Afin de tenir compte des modifications de l’état de polarisation induites lors de la propagation du faisceau lumineux dans les fibres optiques, le dispositif de mesure de la présente divulgation permet de déterminer les états de polarisation du faisceau incident en sortie de la première fibre optique à l’aide d’un premier miroir de calibration 15 au niveau du diviseur de faisceau 9 et les états de polarisation du faisceau incident en sortie de la troisième fibre optique à l’aide d’un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon 60.
Les états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon sont ensuite déterminés.
La matrice de Mueller de l’échantillon en connaissant les états de polarisation du faisceau incident et des états de polarisation du faisceau réfléchi. A partir de la matrice de Mueller de l’échantillon, on peut calculer les informations polarimétriques de l’échantillon, telles que les biréfringences linéaires et circulaires, l’orientation de l’axe neutre de l’échantillon, une éventuelle ellipticité de l’axe et la diatténuation (ou dichroïsme) linéaire et circulaire du matériau et sa dépolarisation.
Selon une variante, le générateur d’états de polarisation 3G est placé en espace libre entre la première lentille de focalisation 4A et le diviseur de faisceau 9. En d’autres termes, le faisceau incident émis par la source 2 n’est plus guidé par la première fibre optique et la deuxième fibre optique. Il n’est plus nécessaire de mesurer les états de polarisation du faisceau en sortie du diviseur de faisceau 9 puisque les états du faisceau incidents ne sont plus modifiés par la fibre optique et sont donc connus.
Dans le cas où le dispositif est utilisé pour réaliser des mesures en mode de topographie, c’est un mode d’imagerie de la réflectance en 3D de l’échantillon rendu possible par le comportement confocal (scan en x, y, z de la réflectance). Dans ce mode, on mesure uniquement la valeur d’intensité I0, sans mesurer les autres paramètres polarimétriques. De ce fait, il n’est plus nécessaire de réaliser la phase préliminaire de calibration. Il n’est donc plus nécessaire d’utiliser plusieurs états de polarisation. Cependant, on règle le générateur 3G et l’analyseur 3A pour que les états soient orthogonaux, ce qui permet de supprimer les réflexions spéculaires à la surface de l’échantillon qui faussent la mesure de réflectance.
Pour ce mode d’imagerie, il est également possible d’utiliser la photodiode 12 de la voie polarisation ou un photomultiplicateur 11 en fonction du niveau de réflectance de l’échantillon qui peut être par exemple des métaux ou des tissus biologiques.
De manière avantageuse, le dispositif de la permet de réaliser des mesures en mode de polarisation confocale et en mode de topographie.
Il est maintenant fait référence à la qui illustre un dispositif de mesure 100 selon un autre mode de réalisation de la présente divulgation. Ce dispositif permet son utilisation en mode de polarisation confocale et en mode de fluorescence confocale sur un même point de l’échantillon cible 60.
Le mode de mesure de fluorescence confocale fonctionne de la manière suivante. Un faisceau lumineux incident est dirigé vers l’échantillon 60, sur une zone d’étude de l’échantillon que l’on souhaite analyser. Ce faisceau lumineux incident, appelé également faisceau lumineux d’excitation va être absorbé par les différents constituants de la couche de matériaux, qui à leur tour vont émettre un faisceau de fluorescence. Le faisceau de fluorescence est collecté et envoyé vers un deuxième système de détection 20.
On va maintenant décrire plus en détail les différents éléments du dispositif 100 de la .
Le dispositif de mesure 100 comprend une première source lumineuse 102A configurée pour émettre un premier faisceau lumineux à au moins une première longueur d’onde et une seconde source 102B configurée pour émettre un second faisceau lumineux à au moins une deuxième longueur d’onde, des moyens optiques de guidage adaptés pour guider le premier faisceau incident et le second faisceau incident vers un système de focalisation et de collecte 140 qui focalise le premier faisceau incident et le second faisceau incident sur une zone d’étude de l’échantillon 60. Les moyens optiques de guidage sont également adaptés pour guider le faisceau réfléchi par l’échantillon 60 et le faisceau de fluorescence émis par l’échantillon 60 sur le trajet de retour respectivement vers un premier système de détection 10 et vers un deuxième système de détection 20 qui sont reliés à une unité de calcul 170.
Dans la suite de la description, le faisceau lumineux est appelée « faisceau incident » sur l’ensemble du trajet de la source lumineuse 102 à l’échantillon 60, et « faisceau réfléchi » sur l’ensemble du trajet de retour de l’échantillon cible 60 au premier système de détection et « faisceau de fluorescence » sur l’ensemble du trajet de retour de l’échantillon cible 60 au deuxième système de détection.
Dans un exemple de réalisation, la première source 102A et la seconde source 102B sont deux sources lasers accordables en longueur d’onde.
Comme dans le cas de la , le dispositif de mesure comprend un générateur d’états de polarisation 3G permettant la génération d’un nombre donné d’états de polarisation du faisceau lumineux, un diviseur de faisceau 9 et un analyseur d’états de polarisation 3A.
Les moyens optiques de guidage comprennent un jeu de quatre fibres optiques 5, 6, 7, 105 et un jeu de lentilles de focalisation 4A, 4B, 4C, 104 permettant la transmission du faisceau lumineux. Le jeu de fibres optiques comprend une première fibre optique 5 transportant le premier faisceau lumineux incident de la première source 102A vers le générateur d’états de polarisation 3G, une deuxième fibre optique 6 transportant le premier faisceau incident en sortie du générateur 3G vers le diviseur de faisceau 9 et une troisième fibre optique 7 transportant le premier faisceau lumineux incident en sortie du diviseur de faisceau 9 jusqu’à l’entrée du système de focalisation et de collecte 140. La troisième fibre optique 7 transporte également le premier faisceau réfléchi en sortie du système de focalisation et de collecte 140 sur le trajet de retour vers le premier système de détection 10.
Comme décrit ci-dessus, grâce à un arrangement spécifique des différents éléments optiques du dispositif, il est possible de mesurer les états de polarisation du premier faisceau lumineux incident après avoir propagé dans une fibre optique et les états de polarisation du faisceau lumineux réfléchi par l’échantillon. Ainsi, en connaissant les états de polarisation du faisceau incident et du faisceau réfléchi par l’échantillon, on peut obtenir la matrice de Mueller de l’échantillon et déterminer les informations polarimétriques de l’échantillon.
La première source 102A, le générateur 3G, le diviseur de faisceau 9 l’analyseur 3A, le premier système de détection 10, la première fibre optique 5, la deuxième fibre optique 6, la troisième fibre optique 7 et le système de focalisation et de collecte 140 forment une voie de mesure de polarisation dont le fonctionnement est identique au dispositif de mesure illustré sur la et ne sera pas détaillé ici.
De manière avantageuse, le dispositif de la présente divulgation comprend des éléments optiques permettant d’éclairer l’échantillon 60 avec le second faisceau incident et de mesurer également la fluorescence émise par l’échantillon cible.
Comme l’illustre schématiquement la , le dispositif de mesure comprend une unité optique d’acheminement mobile 30 configurée pour recevoir le second faisceau incident émis par la deuxième source 102B et envoyer le second faisceau incident vers le système de focalisation et de collecte 140. Cette unité est également configurée pour recevoir un faisceau de fluorescence émis par l’échantillon et envoyer le faisceau de fluorescence vers un second système de détection 20.
De manière avantageuse, l’unité optique d’acheminement mobile 30 est positionnée sur le trajet optique du premier faisceau incident de sorte qu’en sortie de l’unité d’acheminement 30, le second faisceau incident et le premier faisceau incident sont coaxiaux et passent par le même chemin de focalisation du système de focalisation et de collecte 140. De cette façon, le dispositif de la présente divulgation permet de mesurer en un même point de l’échantillon les informations polarimétriques et la fluorescence de l’échantillon cible.
L’unité d’acheminement mobile 30 comprend un miroir dichroïque 32 permettant la réflexion d’un faisceau lumineux à la longueur d’onde du second faisceau lumineux incident émise par la deuxième source 102B et la transmission d’un faisceau lumineux aux autres longueurs d’ondes, un miroir de réflexion 31 permettant la réflexion d’un faisceau lumineux à une longueur d’onde différente de la longueur d’onde dudit second faisceau incident émis par la deuxième source 102B.
Lors de la mise en œuvre du mode polarisation confocale, l’unité d’acheminement mobile 30 est déplacée à l’aide d’une monture motorisée de sorte qu’elle soit hors du trajet optique du premier faisceau incident. En d’autres termes, les deux miroirs 31 et 32 ne sont pas mis sur le trajet optique du premier faisceau incident.
Comme l’illustre la , les moyens optiques de guidage comprennent une quatrième fibre optique 105 pour guider le second faisceau incident émise par la seconde source 102B vers l’entrée de l’unité optique d’acheminement mobile 30.
Cette quatrième fibre optique 105 comporte une extrémité 105a, dite extrémité proximale, l’extrémité la plus proche du système de source 102, et une extrémité 105b, dite extrémité distale, l’extrémité la plus proche de l’échantillon cible 60.
Les moyens optiques de guidage comprennent une quatrième lentille de focalisation 104 positionnée à l’extrémité distale 105b de la quatrième fibre optique 105 et à l’entrée de l’unité optique d’acheminement 30. Plus précisément, cette quatrième lentille de focalisation 104 est destinée à collimater le faisceau lumineux en sortie de la quatrième fibre optique 105 sur le miroir dichroïque 32 de l’unité d’acheminement mobile 30.
Le miroir dichroïque 32 est adapté de sorte à ne réfléchir que les longueurs d’onde du second faisceau lumineux incident émis par la source 102B et transmettre les autres longueurs d’onde.
De manière avantageuse, l’unité optique d’acheminement 30, et plus précisément le miroir dichroïque 32 est agencé de sorte que le second faisceau incident et le premier faisceau incident soient coaxiaux à l’entrée de la deuxième lentille de focalisation 4B qui est positionnée en amont de la troisième fibre optique 7. En d’autres termes, le second faisceau incident est focalisé en sortie de l’unité optique d’acheminement 30 sur l’entrée 7a de la troisième fibre optique 7 qui guide le second faisceau incident, comme pour le premier faisceau incident, jusqu’à l’entrée du système de focalisation et de collecte de faisceau 140.
Le second faisceau incident en sortie de la troisième fibre optique 7 est collimaté par la troisième lentille de focalisation 4C positionnée en aval de la troisième fibre optique et à l’entrée du système de focalisation et de collecte 140. Le second faisceau incident est ainsi collimaté sur l’entrée du système de focalisation et de collecte de faisceau 140. A la sortie du système de focalisation et de collecte 140, le second faisceau incident est focalisé sur un point de mesure de l’échantillon cible 60.
L’échantillon cible est associé à un repère orthonormé (x, y, z). L’axe z est un axe perpendiculaire à la surface d’analyse de l’échantillon, et le plan (x, y) est parallèle à la surface de l’échantillon 60.
Comme dans le premier mode de réalisation illustré sur la , le système optique de focalisation et de collecte 140 comprend un premier système de balayage selon l’axe Z qui permet un réglage de la focalisation du faisceau sur un point de mesure appartenant à une tranche plane de l’échantillon. De manière connue, le balayage selon l’axe Z est réalisé à l’aide d’un moteur piézoélectrique. La position selon l’axe z de la tranche dans l’échantillon est déterminée par la distance entre l’objectif et l’échantillon. Cette distance est réglée à une précision nanométrique par le moteur piézoélectrique. En outre, le système optique comprend un élément de balayage angulaire 141 pour déplacer la position du point de mesure dans un plan focal du système de focalisation. En d’autres termes, le système de balayage angulaire permet de focaliser et balayer un ensemble des positions (x, y) dans un plan focal de l’échantillon. La combinaison des deux systèmes de balayages dans le système de focalisation et de collecte 140 permet de réaliser des points de mesure suivant les trois directions x, y et z. Il est donc possible de générer des images tridimensionnelles construite à partir d’un ensemble de points de mesure de l’échantillon, à chaque point de point est associé une mesure de fluorescence.
Le second faisceau incident est dirigé par une lentille de focalisation 142 sur un ensemble de miroirs 144 de sorte que le faisceau soit parallèle aux miroirs. Cet ensemble de miroirs est monté sur une monture qui permet d’intégrer différents types de miroirs permettant ainsi de changer de modes d’imagerie avec un même système de focalisation et de collecte de faisceau. Selon un exemple de réalisation, l’ensemble de miroirs 144 comprend un miroir 148 et un miroir dichroïque 149.
Dans le mode d’une imagerie de polarisation confocale et le mode d’une imagerie de fluorescence confocale, le faisceau incident est réfléchi par un miroir 148 en direction de l’échantillon 60.
Le faisceau incident est focalisé par un ensemble de lentilles 145, 147 en un point de la zone d’étude de l’échantillon 60.
Dans la mesure de fluorescence, le faisceau incident est absorbé par les marqueurs de l’échantillon qui émet un faisceau de fluorescence dans une bande de longueur d’onde différente de la source.
Le faisceau de fluorescence est ensuite collecté en sens inverse par le système de focalisation et de collecte 140 et est focalisé dans le cœur de la troisième fibre optique monomode 7. Le faisceau de fluorescence se propage dans le sens de retour dans le cœur de la fibre optique. Le système de focalisation est confocal et le cœur de la fibre optique joue le rôle du trou de filtrage qui permet de sélectionner le plan focal de l’échantillon.
Le faisceau de fluorescence est guidé de nouveau par la troisième fibre optique 7 vers l’unité optique d’acheminement 30. Le faisceau de fluorescence est transmis par le miroir dichroïque 32 puis réfléchi par le miroir 31 vers le deuxième système de détection 20.
Le second système de détection 20 comprend un dispositif de filtrage optique 22 pour filtrer en longueur d’onde, le second faisceau de fluorescence émis par ledit échantillon cible, de manière à sélectionner, en sortie dudit dispositif de filtrage optique, un faisceau de fluorescence à une ou plusieurs longueurs d’onde différentes de la longueur d’onde du second faisceau incident, et un photomultiplicateur 21 pour mesurer le second faisceau de fluorescence émis par l’échantillon.
Selon un exemple de réalisation, le dispositif de filtrage optique 22 est formé par une roue à filtres comportant un filtre passe bande ou passe haut permettant de supprimer les longueurs d’onde de la source et laisser passer uniquement le faisceau émis par les fluorophores de l’échantillon.
Le second système de détection 20 comprend un photomultiplicateur 21 pour mesurer l’intensité du faisceau de fluorescence transmis par le dispositif de filtrage 22. Le photomultiplicateur 21 comprend un convertisseur analogique-numérique adapté pour convertir les signaux en valeurs numériques.
Les valeurs numériques sont transmises à l’unité de de traitement de données 170 qui est adaptée pour générer des images en mode de polarisation confocal et des images en mode de fluorescence confocal.
Selon un mode de réalisation, l’unité de traitement de données 170 comprend une unité de calcul 171 (CALC) configurée pour calculer les informations polarimétriques à partir des mesures transmises par le premier système de détection 10 et les informations de fluorescence à partir des mesures transmises par le second système de détection 20, une unité de commande 172 (COM) qui contrôle le système de balayage, les obturateurs électromécaniques 14, 143 et l’unité optique d’acheminement mobile 30 du dispositif de mesure et une unité de construction d’images 173 (IMA).
L’unité de construction d’images 173 est synchronisée avec l’unité de commande 712 de manière à pouvoir associer chaque information polarimétrique déterminée et chaque information de fluorescence par l’unité de calcul 171 à une position correspondante sur l’échantillon cible.
L’unité de construction 173 reçoit les informations polarimétriques et les informations de fluorescence pour chaque point mesuré dont la position est connue dans le repère orthonormée (x, y, z) associé à l’échantillon. Chaque pixel sur l’image qui représente un point de mesure de l’échantillon est associé à au moins une information polarimétrique ou une fluorescence.
La montre trois images de fluorescence confocal d’un papier marqué avec fluorescéine avec trois grossissements optiques. Les trois images (a), (b) et (c) représentent respectivement une image de fluorescence avec un objectif x4, un objectif x20 et un objectif x40.
De manière avantageuse, afin d’augmenter le rapport signal sur bruit, l’unité de construction d’images comprend des moyens de moyennage de plusieurs images. L’unité de construction comprend également des moyens de soustraction de bruits additifs.
De manière avantageuse, le dispositif de mesure de la permet, de manière séquentielle, de réaliser des mesures de paramètres polarimétriques et de fluorescence d’une même zone d’étude d’un échantillon.
Selon une variante, le dispositif de mesure 100 comprend un détecteur matriciel 53 positionné en regard de la zone d’étude de l’échantillon 60 permettant la mesure en mode épifluorescence en complément du mode fluorescence confocale. Dans ce mode épifluorescence, à la différence du mode fluorescence confocale, le faisceau de fluorescence émis par l’échantillon est transmis par le miroir dichroïque 149 possédant les mêmes caractéristiques que le miroir dichroïque 32 de l’unité optique d’acheminement 30. Ainsi le faisceau de fluorescence traverse le miroir dichroïque 149 au lieu d’être réfléchi par le miroir 148 vers l’élément de miroir 141 pour être injecté de nouveau dans la quatrième fibre optique 7. Le faisceau de fluorescence est focalisé par un ensemble de lentilles 51, 52 sur un détecteur matriciel type CCD 53.
Selon une deuxième variante, le dispositif comprend une source de lumière incohérente 80 type LED positionnée à l’arrière de l’échantillon 60, permettant la mesure en mode microscopie champ clair. L’ensemble de miroirs 144 qui est montée sur une monture vide dans une roue à filtres est placé dans une position hors du trajet optique du faisceau transmis par l’échantillon. Le faisceau traverse l’échantillon et est focalisé directement par l’ensemble de lentilles 51, 52 sur le détecteur 53.
Selon une troisième variante, le dispositif comprend une source de lumière incohérente 80 qui émet un faisceau polarisé selon un état de polarisation donné, permettant la mesure en mode microscopie en polarisation croisée. Dans ce mode, l’ensemble de miroirs 144 comprend en outre un élément polariseur qui transmet un faisceau selon un état de polarisation orthogonal à celui de la source. Le faisceau transmis par l’élément polariseur est focalisé par l’ensemble de lentilles 51, 52 sur le détecteur 53.
La illustre un procédé de détermination de paramètres de polarisation mettant en œuvre le dispositif de la . Le procédé comprend une phase de calibration 200 suivie d’une phase de mesure 300.
La phase de calibration 200 comprend les étapes suivantes :
- un faisceau lumineux monochromatique incident est émis à une longueur d’onde donnée 201;
- le faisceau incident est guidé à l’aide d’une première fibre optique vers un générateur d’états de polarisation 202 ;
- un nombre d’états de polarisation du faisceau incident est généré à l’aide du générateur d’états de polarisation 203;
- le faisceau incident en sortie du générateur est guidé à l’aide d’une deuxième fibre optique vers un diviseur de faisceau 204;
- le faisceau incident est séparé en une première fraction et en une seconde fraction 205;
- la première fraction de faisceau incident est réfléchie par un premier miroir de calibration 206 , elle traverse de nouveau le diviseur de faisceau et envoyé vers un analyseur d’états de polarisation ;
- la seconde fraction est bloquée par l’obturateur 43 ;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi par le premier miroir de calibration est analysé 207 ;
- les états de polarisation du faisceau incident (S1) sont déterminés au niveau du diviseur de faisceau 208;
- la seconde fraction est guidée vers un système de focalisation et de collecte par une troisième fibre optique 209 tandis que la première fraction est bloquée par l’obturateur 14;
- la seconde fraction est focalisée sur un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon cible 210, le faisceau réfléchi par le second miroir de calibration est collecté par le système de focalisation et de collecte et focalisé dans le cœur de la troisième fibre optique qui le guide de nouveau jusqu’au diviseur de faisceau, le faisceau réfléchi est envoyé par le diviseur vers l’analyseur d’états de polarisation ;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi par le second miroir de calibration sont analysés à aide de l’analyseur d’états de polarisation 211) ;
- les états de polarisation du faisceau incident (S2) sont déterminés au niveau de l’échantillon cible 212.
- un faisceau lumineux monochromatique incident est émis à une longueur d’onde donnée 201;
- le faisceau incident est guidé à l’aide d’une première fibre optique vers un générateur d’états de polarisation 202 ;
- un nombre d’états de polarisation du faisceau incident est généré à l’aide du générateur d’états de polarisation 203;
- le faisceau incident en sortie du générateur est guidé à l’aide d’une deuxième fibre optique vers un diviseur de faisceau 204;
- le faisceau incident est séparé en une première fraction et en une seconde fraction 205;
- la première fraction de faisceau incident est réfléchie par un premier miroir de calibration 206 , elle traverse de nouveau le diviseur de faisceau et envoyé vers un analyseur d’états de polarisation ;
- la seconde fraction est bloquée par l’obturateur 43 ;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi par le premier miroir de calibration est analysé 207 ;
- les états de polarisation du faisceau incident (S1) sont déterminés au niveau du diviseur de faisceau 208;
- la seconde fraction est guidée vers un système de focalisation et de collecte par une troisième fibre optique 209 tandis que la première fraction est bloquée par l’obturateur 14;
- la seconde fraction est focalisée sur un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon cible 210, le faisceau réfléchi par le second miroir de calibration est collecté par le système de focalisation et de collecte et focalisé dans le cœur de la troisième fibre optique qui le guide de nouveau jusqu’au diviseur de faisceau, le faisceau réfléchi est envoyé par le diviseur vers l’analyseur d’états de polarisation ;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi par le second miroir de calibration sont analysés à aide de l’analyseur d’états de polarisation 211) ;
- les états de polarisation du faisceau incident (S2) sont déterminés au niveau de l’échantillon cible 212.
La phase de mesure 300 comprend les étapes suivantes :
- un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée est émis par la première source 301;
- le faisceau incident est guidé à l’aide d’une première fibre optique vers un générateur d’états de polarisation 302 ;
- un nombre d’états de polarisation du faisceau incident est généré à l’aide du générateur d’états de polarisation 303;
- le faisceau incident est guidé à l’aide d’une deuxième fibre optique vers un diviseur de faisceau 304;
- le faisceau incident est séparé en une première fraction et en une seconde fraction 305;
- la seconde fraction de faisceau incident est guidée vers un système de focalisation et de collecte par une troisième fibre optique 306 tandis que la première fraction est bloquée par l’obturateur électromécanique 14;
- la seconde fraction de faisceau incident est focalisée vers un point de mesure d’une zone d’étude de l’échantillon cible 307;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon sont analysés à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation 308;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi (S3) par l’échantillon cible sont déterminés 309;
- la matrice de Mueller (M) associée au point de mesure de l’échantillon est calculée 310 en connaissant les états de polarisation (S1) du faisceau incident au niveau diviseur de faisceau, les états de polarisation (S2) du faisceau incident au niveau de l’échantillon et les états de polarisation (S3) du faisceau réfléchi au point de mesure de l’échantillon.
- un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée est émis par la première source 301;
- le faisceau incident est guidé à l’aide d’une première fibre optique vers un générateur d’états de polarisation 302 ;
- un nombre d’états de polarisation du faisceau incident est généré à l’aide du générateur d’états de polarisation 303;
- le faisceau incident est guidé à l’aide d’une deuxième fibre optique vers un diviseur de faisceau 304;
- le faisceau incident est séparé en une première fraction et en une seconde fraction 305;
- la seconde fraction de faisceau incident est guidée vers un système de focalisation et de collecte par une troisième fibre optique 306 tandis que la première fraction est bloquée par l’obturateur électromécanique 14;
- la seconde fraction de faisceau incident est focalisée vers un point de mesure d’une zone d’étude de l’échantillon cible 307;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon sont analysés à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation 308;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi (S3) par l’échantillon cible sont déterminés 309;
- la matrice de Mueller (M) associée au point de mesure de l’échantillon est calculée 310 en connaissant les états de polarisation (S1) du faisceau incident au niveau diviseur de faisceau, les états de polarisation (S2) du faisceau incident au niveau de l’échantillon et les états de polarisation (S3) du faisceau réfléchi au point de mesure de l’échantillon.
La phase de calibration et la phase de mesure décrites ci-dessus permettent de déterminer les paramètres de polarisation même si l’état de polarisation du faisceau incident est modifié au cours de sa propagation. De ce fait, il est possible d’utiliser des fibres optiques dans le dispositif de mesure pour guider le faisceau incident et le faisceau réfléchi. Ainsi, il est possible de réaliser un dispositif de mesure entièrement fibré afin de réaliser par exemple des mesures endoscopiques.
Le procédé comprend en outre une étape supplémentaire de mesure de fluorescence qui est par exemple émise par l’échantillon d’analyse au même point de mesure où les paramètres polarimétriques sont déterminés.
La illustre un procédé de détermination de paramètres de polarisation mettant en œuvre une variante du dispositif de la dans laquelle le générateur d’états de polarisation 3G est utilisé en espace libre, placé entre la lentille de focalisation 4A et le diviseur de faisceau 9. Le procédé comprend également une phase de calibration 400 suivie d’une phase de mesure 500.
La phase de calibration 400 comprend les étapes suivantes :
- un faisceau lumineux monochromatique incident est émis à une longueur d’onde donnée en direction du générateur d’états de polarisation 401;
- un nombre d’états de polarisation du faisceau incident est généré à l’aide du générateur d’états de polarisation 402 ;
- le faisceau incident est séparé en une première fraction et une seconde fraction par le diviseur de faisceau 403;
- la seconde fraction est guidée vers un système de focalisation et de collecte par une fibre optique 7 tandis que la première fraction est bloquée par un obturateur 404;
- la seconde fraction est focalisée sur un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon cible 405. Le faisceau réfléchi par le second miroir de calibration est collecté par le système de focalisation et de collecte et focalisé dans le cœur de la fibre optique 7 qui le guide de nouveau jusqu’au diviseur de faisceau, le faisceau réfléchi est envoyé par le diviseur vers l’analyseur d’états de polarisation;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi par le second miroir de calibration sont analysés à aide de l’analyseur d’états de polarisation 406 ;
- les états de polarisation du faisceau incident (S2’) sont déterminés au niveau de l’échantillon cible 407.
- un faisceau lumineux monochromatique incident est émis à une longueur d’onde donnée en direction du générateur d’états de polarisation 401;
- un nombre d’états de polarisation du faisceau incident est généré à l’aide du générateur d’états de polarisation 402 ;
- le faisceau incident est séparé en une première fraction et une seconde fraction par le diviseur de faisceau 403;
- la seconde fraction est guidée vers un système de focalisation et de collecte par une fibre optique 7 tandis que la première fraction est bloquée par un obturateur 404;
- la seconde fraction est focalisée sur un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon cible 405. Le faisceau réfléchi par le second miroir de calibration est collecté par le système de focalisation et de collecte et focalisé dans le cœur de la fibre optique 7 qui le guide de nouveau jusqu’au diviseur de faisceau, le faisceau réfléchi est envoyé par le diviseur vers l’analyseur d’états de polarisation;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi par le second miroir de calibration sont analysés à aide de l’analyseur d’états de polarisation 406 ;
- les états de polarisation du faisceau incident (S2’) sont déterminés au niveau de l’échantillon cible 407.
La phase de mesure 500 comprend les étapes suivantes :
- un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée est émis par la première source en direction du générateur d’état de polarisation 501;
- un nombre d’états de polarisation du faisceau incident est généré à l’aide du générateur d’états de polarisation 502;
- le faisceau incident est séparé en une première fraction et une seconde fraction par le diviseur de faisceau 503;
- la seconde fraction de faisceau incident est guidée vers un système de focalisation et de collecte par la fibre optique tandis que la première fraction est bloquée par l’obturateur électromécanique 504 ;
- la seconde fraction de faisceau incident est focalisée vers un point de mesure d’une zone d’étude de l’échantillon cible 505;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon sont analysés à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation 506;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi (S3’) par l’échantillon cible sont déterminés 507 ;
- la matrice de Mueller (M) associée au point de mesure de l’échantillon est calculée 508 en connaissant les états de polarisation (S2) du faisceau incident au niveau de l’échantillon et les états de polarisation (S3) du faisceau réfléchi au point de mesure de l’échantillon.
- un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée est émis par la première source en direction du générateur d’état de polarisation 501;
- un nombre d’états de polarisation du faisceau incident est généré à l’aide du générateur d’états de polarisation 502;
- le faisceau incident est séparé en une première fraction et une seconde fraction par le diviseur de faisceau 503;
- la seconde fraction de faisceau incident est guidée vers un système de focalisation et de collecte par la fibre optique tandis que la première fraction est bloquée par l’obturateur électromécanique 504 ;
- la seconde fraction de faisceau incident est focalisée vers un point de mesure d’une zone d’étude de l’échantillon cible 505;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon sont analysés à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation 506;
- les états de polarisation du faisceau réfléchi (S3’) par l’échantillon cible sont déterminés 507 ;
- la matrice de Mueller (M) associée au point de mesure de l’échantillon est calculée 508 en connaissant les états de polarisation (S2) du faisceau incident au niveau de l’échantillon et les états de polarisation (S3) du faisceau réfléchi au point de mesure de l’échantillon.
L’invention peut être appliquée notamment dans le domaine d’analyse de tissus biologiques. Les informations polarimétriques obtenues par le dispositif de la présente invention permettent de déterminer des informations sur la structure des tissus observés. Notamment, le retard linéaire observé permet de donner des indications précises sur l’orientation des fibres formant le collagène. Grâce à la présente invention, un même dispositif est utilisé pour sonder une zone d’intérêt d’un tissu biologique pour générer des images polarimétriques tridimensionnelles et des images de fluorescence tridimensionnelles qui constituent des informations complémentaires sur le tissu biologique, fournissant ainsi une aide au diagnostic plus précise. En outre, le dispositif de mesures de la présente invention permet d’être utilisé avec des faisceaux guidés par des fibres optiques dans une version endoscopique pour l’analyse d’échantillons in vivo, ou de façon générale pour l’analyse d’une zone difficile d’accès.
Claims (15)
- Dispositif de mesure optique (1) d’un échantillon cible (60), comprenant
- au moins une source (2) adaptée pour émettre un premier faisceau lumineux monochromatique incident à au moins une première longueur d’onde (λ1);
- un générateur d’état de polarisation (3G) agencé en sortie de la source (2) et configuré pour générer un nombre d’états de polarisation du faisceau lumineux incident ;
- un diviseur de faisceau lumineux (9) configuré pour séparer le faisceau incident en une première fraction de faisceau incident et une seconde fraction de faisceau incident et transmettre ladite seconde fraction de faisceau incident vers un système de focalisation et de collecte de faisceau lumineux (40) pour illuminer une zone d’étude de l’échantillon cible (60), ledit diviseur de faisceau (9) étant configuré pour envoyer le faisceau réfléchi par l’échantillon cible (60) vers un premier système de détection (10) ;
- un analyseur d’états de polarisation (3A) agencé entre le diviseur de faisceau (9) et le système de détection (10) et configuré pour analyser la polarisation dudit faisceau réfléchi par l’échantillon cible ;
- au moins un moyen optique de guidage agencé sur le trajet optique entre la source (2) et le système de focalisation et de collecte de faisceau (40) et configuré pour transporter le premier faisceau incident et le faisceau réfléchi par l’échantillon cible ;
- ledit premier système de détection (10) comprenant un séparateur de polarisation (13) pour séparer le faisceau réfléchi par l’échantillon en deux composantes de polarisation orthogonales, et au moins un détecteur (11, 12) pour mesurer une des deux composantes du faisceau réfléchi en sortie dudit séparateur de polarisation (13) ;
- une unité de traitement de données (70) configurée pour calculer des informations à partir des signaux transmis par le premier système de détection (10). - Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre
- une première source (102A) adaptée pour émettre ledit premier faisceau monochromatique incident à une première longueur d’onde (λ1) et une seconde source (102B) adaptée pour émettre un second faisceau monochromatique lumineux incident à au moins une seconde longueur d’onde (λ2),
- une unité optique d’acheminement mobile (30) configurée pour recevoir le second faisceau incident et à envoyer ledit second faisceau incident vers ledit système de focalisation et de collecte (140) pour illuminer une zone d’étude de l’échantillon, ladite unité optique d’acheminement (30) étant positionnée sur le trajet optique de ladite seconde fraction du premier faisceau incident en sortie du diviseur de faisceau (9) de sorte que le second faisceau incident et la seconde fraction du premier faisceau incident soient coaxiaux et passent par le même chemin de focalisation du système de focalisation et de collecte (140) ;
- ladite unité optique d’acheminement (30) étant configurée pour recevoir un faisceau de fluorescence émis par l’échantillon (60) et à envoyer ledit faisceau de fluorescence vers un second système de détection (20) ;
- ladite unité de traitement de données (170) étant configurée pour calculer des informations à partir des signaux transmis par ledit second système de détection (20). - Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ladite unité optique d’acheminement (30) comprend un miroir dichroïque (32) permettant la réflexion d’un faisceau lumineux à la longueur d’onde du second faisceau lumineux incident émise par la seconde source (102B) et la transmission d’un faisceau lumineux aux autres longueurs d’ondes, un miroir de réflexion (31) permettant la réflexion d’un faisceau lumineux à une longueur d’onde différente de la longueur d’onde dudit second faisceau incident émise par la seconde source (102B).
- Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le second système de détection (20) comprend un dispositif de filtrage optique (22) pour filtrer en longueur d’onde, le faisceau de fluorescence émis par ledit échantillon cible (60), de manière à sélectionner, en sortie dudit dispositif de filtrage optique, un faisceau de fluorescence à une ou plusieurs longueurs d’onde différentes de la seconde longueur d’onde du second faisceau incident, et un détecteur (21) pour mesurer l’intensité dudit faisceau de fluorescence émis par l’échantillon.
- Dispositif selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel ledit au moins un moyen de guidage comprend une première fibre optique (5) agencée entre la première source (2, 102A) et le générateur d’états de polarisation (3G), une deuxième fibre optique (6) agencée entre le générateur d’états de polarisation (3G) et le diviseur de faisceau (9), une troisième fibre optique (7) agencée entre le diviseur de faisceau (9) et le système de focalisation et de collecte de faisceau (40, 140) et une quatrième fibre optique (105) agencée entre la seconde source (102B) et l’unité optique d’acheminement de faisceau (30).
- Dispositif selon la revendication 5, dans lequel la troisième fibre optique (7) a son extrémité distale (7b) placée dans le plan focal conjugué au plan focal du système de focalisation et de collecte de faisceau (40, 140).
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un premier miroir de calibration (15) configuré pour réfléchir la première fraction du premier faisceau incident provenant du diviseur de faisceau (9) vers l’analyseur d’états de polarisation (3A) et le premier système de détection (10) pour déterminer les états de polarisation du premier faisceau indicent au niveau du diviseur de faisceau (9).
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant en outre un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon cible et configuré pour réfléchir la seconde fraction du premier faisceau incident provenant du diviseur de faisceau (9), le faisceau réfléchi par ledit second miroir de calibration étant utilisé pour déterminer les états de polarisation du premier faisceau incident au niveau de l’échantillon.
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le système de focalisation et de collecte de faisceau lumineux (40, 140) comprend un ensemble d’éléments optiques (44, 144) commutable entre une position réfléchissante et une position passante, permettant dans la position réfléchissante, la réflexion d’un faisceau réfléchi par l’échantillon pour une mesure polarimétrique confocale ou la réflexion d’un faisceau de fluorescence émis par l’échantillon pour une mesure de fluorescence confocale et, dans une position passante, la transmission d’un faisceau de fluorescence émis par l’échantillon et focalisé vers une caméra (53) pour une mesure d’épifluorescence.
- Dispositif selon la revendication 9, dans lequel l’ensemble d’éléments optiques (44, 144) comprend un miroir (48) adapté pour réfléchir le faisceau réfléchi par l’échantillon, un miroir (148) adapté pour réfléchir le faisceau de fluorescence émis par l’échantillon, un miroir dichroïque (149) adapté pour transmettre le faisceau de fluorescence émis par l’échantillon, un polariseur adapté pour polariser un faisceau transmis par l’échantillon et transmettre le faisceau polarisé vers la caméra (53).
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel le système de focalisation et de collecte (40, 140) comporte un système de balayage configuré pour diriger le faisceau incident vers une pluralité de points de mesure de l’échantillon cible (60).
- Dispositif selon la revendication 11, dans lequel l’unité de traitement de données (70, 170) comprend une unité de commande (72, 172) dudit système de balayage, une unité de construction d’images (73, 173) synchronisée avec ladite unité de commande, ladite unité de construction d’images étant configurée pour générer des images dont chaque pixel est représentatif d’une information d’un point de mesure de l’échantillon cible (60).
- Dispositif selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel ladite unité de traitement de données (70, 170) comprend une unité de calcul (71, 171) configurée pour :
-déterminer les états de polarisation du premier faisceau incident au niveau du diviseur (9) ;
- déterminer les états de polarisation du premier faisceau incident au niveau de l’échantillon (60) ;
- déterminer les états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon ;
- déterminer une matrice de Mueller (M) associée à l’échantillon. - Procédé de détermination d’au moins une information sur la polarisation en un point de mesure d’un échantillon cible (60) mettant en œuvre le dispositif selon l’une des revendications 1 à 13 et dans lequel le générateur d’états de polarisation (3G) est placé entre une lentille de focalisation (4A) et le diviseur de faisceau (9), le procédé comprenant une phase de calibration (400) et une phase de mesure (500),
ladite phase de calibration (400) comprenant les étapes suivantes :
- émission d’un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée vers un générateur d’états de polarisation (401);
- génération d’un nombre d’états de polarisation du faisceau incident à l’aide du générateur d’états de polarisation (402);
- division du faisceau incident en une première fraction et en une seconde fraction (403) ;
- guidage de la seconde fraction vers un système de focalisation et de collecte par une fibre optique (404);
- focalisation de la seconde fraction vers un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon cible (405) ;
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par le second miroir de calibration à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation (406) ;
- détermination des états de polarisation du faisceau incident (S2’) au niveau de l’échantillon cible (407);
ladite phase de mesure (500) comprenant les étapes suivantes :
- émission d’un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée vers le générateur d’états de polarisation (501) ;
- génération d’un nombre d’états de polarisation du faisceau incident à l’aide du générateur d’états de polarisation (502), les états étant les mêmes qu’à l’étape (402);
- division du faisceau incident en une première fraction et en une seconde fraction (503);
- guidage de la seconde fraction vers un système de focalisation et de collecte par une fibre optique (504);
- focalisation de la seconde fraction vers un point de mesure d’une zone d’étude de l’échantillon cible (505);
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation (506) ;
- détermination des états de polarisation du faisceau réfléchi (S3’) par l’échantillon cible (507);
- calcul de la matrice de Mueller (M) associée au point de mesure de l’échantillon (508). - Procédé de détermination d’au moins une information sur la polarisation en un point de mesure d’un échantillon cible (60) mettant en œuvre le dispositif selon l’une des revendications 1 à 13 et dans lequel le générateur d’états de polarisation (3G) est placé entre une première et une deuxième fibres optiques (5, 6), le procédé comprenant une phase de calibration (200) et une phase de mesure (300), la phase de calibration comprenant les étapes suivantes :
- émission d’un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée vers un générateur d’états de polarisation (201);
- guidage du faisceau incident à l’aide de la première fibre optique (5) vers le générateur d’états de polarisation (202) ;
- génération d’un nombre d’états de polarisation du faisceau incident à l’aide du générateur d’états de polarisation (203);
- guidage du faisceau incident à l’aide de la deuxième fibre optique (6) vers le diviseur de faisceau (204);
- division du faisceau incident en une première fraction et une seconde fraction par le diviseur de faisceau (205);
- réflexion de la première fraction par un premier miroir de calibration (206) ;
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par le premier miroir de calibration (207) ;
- détermination des états de polarisation du faisceau incident (S1) au niveau du diviseur de faisceau (208) ;
- guidage de la seconde fraction vers un système de focalisation et de collecte par une troisième fibre optique (209);
- focalisation de la seconde fraction vers un second miroir de calibration positionné au niveau de l’échantillon cible (210) ;
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par le second miroir de calibration à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation (211) ;
- détermination des états de polarisation du faisceau incident (S2) au niveau de l’échantillon cible (212);
ladite phase de mesure (300) comprenant les étapes suivantes :
- émission d’un faisceau lumineux monochromatique incident à une longueur d’onde donnée (301);
- guidage du faisceau incident à l’aide de la première fibre optique vers un générateur d’états de polarisation (302) ;
- génération d’un nombre d’états de polarisation du faisceau incident à l’aide du générateur d’états de polarisation (303);
- guidage du faisceau incident à l’aide de la deuxième fibre optique vers un diviseur de faisceau (304);
- division du faisceau incident en une première fraction et en une seconde fraction (305);
- guidage de la seconde fraction vers un système de focalisation et de collecte par une troisième fibre optique (306);
- focalisation de la seconde fraction vers un point de mesure d’une zone d’étude de l’échantillon cible (307);
- analyse des états de polarisation du faisceau réfléchi par l’échantillon à l’aide de l’analyseur d’états de polarisation (308) ;
- détermination des états de polarisation du faisceau réfléchi (S3) par l’échantillon cible (309);
- calcul de la matrice de Mueller (M) associée au point de mesure de l’échantillon (310).
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|---|---|
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