FR3144614A1

FR3144614A1 - Système optique

Info

Publication number: FR3144614A1
Application number: FR2300092A
Authority: FR
Inventors: Pierre Bon; Minh Chau Nguyen
Original assignee: Inst D'optique Theorique Et Appliquee; Myriade; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Institut d'Optique Theorique et Appliquee; Universite de Bordeaux
Current assignee: Inst D'optique Theorique Et Appliquee; Myriade; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Institut d'Optique Theorique et Appliquee; Universite de Bordeaux
Priority date: 2023-01-04
Filing date: 2023-01-04
Publication date: 2024-07-05
Also published as: WO2024146891A1

Abstract

Système optique comprenant un microscope admettant un axe optique, une source d'éclairage pour le microscope et un système d'imagerie de phase auto-référencé. La source d'éclairage est configurée pour éclairer un espace objet. Le microscope est configuré pour conjuguer un plan objet de l'espace objet avec un plan image, le système d'imagerie de phase auto-référencé étant disposé dans ou au voisinage du plan image. Le système d'imagerie de phase auto-référencé est configuré pour produire une image réelle en intensité et en phase du plan objet. La cohérence temporelle (CT) de la source d’éclairage est comprise entre 0,4% et 6% et la cohérence spatiale (CS) de la source d’éclairage, au niveau du système d’imagerie de phase auto-référencé, est comprise entre 0,4% et 10 %. Le système optique comprend, en outre, une unité de traitement configurée pour propager numériquement l’image réelle, le long de l'axe optique.(figure 3)

Description

Système optique

La présente demande concerne un système optique. Un tel système permet, notamment, de mesurer la concentration de nanoparticules sans connaissance a priori des nanoparticules et sans avoir à modifier les particules ou leur milieu.

Arrière-plan

Dans l’art antérieur, la mesure optique d’une concentration en nanoparticules se heurte à la disposition d’un outil pour déterminer un volume de mesure dans lequel les nanoparticules sont imagées. En effet le volume dans lequel les nanoparticules sont détectables dépend de la taille et de la nature des nanoparticules ainsi que du système optique. La mesure optique d’une concentration en nanoparticules, sans connaissance a priori de la nature physique des nanoparticules, est donc difficile et il existe un besoin pour un système optique permettant de faciliter cette mesure.

Au sens de la présente demande, on entend par :
- « Cohérence temporelle CT » d’une source lumineuse : le rapport de l’étendue en longueur d’onde de la source divisée par sa longueur d’onde centrale.
- « Cohérence spatiale CS » d’une source lumineuse dans un système optique : le rapport de l’ouverture numérique d’illumination d’un système optique sur l’ouverture numérique de collection.
- « Système d’imagerie de phase auto-référencé » : un système de détection, ou détecteur, auto-référencé fournissant, en plus de l’intensité optique, la phase d’une onde incidente. Le système est auto-référencé car il n'utilise pas de bras optique séparé comme référence.
« Image réelle » : image de l’intensité et de la phase du champ d’onde dans un plan objet, capturée par le système d’imagerie de phase auto-référencé utilisé.
« Image propagée numériquement » : image de l’intensité et de la phase du champ d’onde dans un plan parallèle au plan objet, elle est calculée numériquement à partir de l’image réelle en utilisant des méthodes classiques de propagation pour résoudre l’équation d’onde.
« Volume image » : volume imagé par propagation numérique de l'image réelle.
« Nanoparticule imagée » ou « particule imagée »: nanoparticule qui forme une image nette ou de densité spatiale d’énergie maximum dans l’image réelle (c'est notamment le cas pour une nanoparticule dans le plan objet) ou dans des images propagées numériquement (c'est notamment le cas pour une nanoparticule en dehors du plan objet).
« Profondeur de champ numérique » : épaisseur, selon la direction de l’axe optique, du volume imagé par propagation numérique, notamment centrée sur l'image réelle, dans laquelle des nanoparticules peuvent être imagées de manière fidèle. C’est l'épaisseur dans laquelle la reconstruction du volume imagé par propagation numérique, à partir de l’image réelle, est valide. C’est-à-dire que les images propagées numériquement sont le reflet de la réalité de l’espace objet. Les objets physiquement présents dans l’espace objet, et seulement ces objets, sont imagés sur les images propagées numériquement considérées comme fidèles.
« Laser blanc » ou « laser de super-continuum » : une source à forte cohérence spatiale et à cohérence temporelle quasi-nulle.

La profondeur de champ numérique définie plus haut dépend du rapport signal sur bruit de détection des objets imagés. En outre, la profondeur de champ numérique est inférieure ou égale à la profondeur de champ (appelée ci-après profondeur de champ "optique" par souci de clarté) du système optique utilisé. La profondeur de champ optique dépend, quant à elle, de la cohérence spatiale et temporelle de la lumière permettant l'imagerie.

Ainsi, pour un système optique de cohérence spatiale et temporelle (CS, CT) tendant vers (0, 0), la limite à la profondeur de champ optique imposée par ces deux paramètres tend vers l'infini mais le niveau de bruit augmente, ce qui rend difficile, voire impossible, toute propagation numérique de l'image réelle et limite donc la profondeur de champ numérique. A l’opposé, pour un système optique à CS et/ou CT tendant vers l’infini, le bruit chute mais la profondeur de champ optique tend vers 0. Sur l'image réelle n'apparaissent que les objets parfaitement focalisés. Ceci rend également difficile, voire impossible, toute propagation numérique de l'image réelle et limite donc la profondeur de champ numérique.

En outre, à système optique fixé, le rapport signal sur bruit d’une nanoparticule imagée dépend de sa taille et de sa nature. Ainsi la profondeur de champ numérique dépend de la taille et de la nature des nanoparticules.

Il existe donc un besoin pour un système optique qui puisse être utilisé pour produire une image réelle de nanoparticules, idéalement sans besoin de connaissance a priori sur la taille et ou la nature des nanoparticules, et qui soit tel que, pour cette image réelle, la profondeur de champ numérique soit satisfaisante.

Présentation générale

Dans ce contexte, la présente demande concerne un système optique comprenant un microscope admettant un axe optique, une source d'éclairage pour le microscope et un système d'imagerie de phase auto-référencé. La source d'éclairage est configurée pour éclairer un espace objet. Le microscope est configuré pour conjuguer un plan objet de l'espace objet avec un plan image, le système d'imagerie de phase auto-référencé étant disposé dans le plan image ou au voisinage du plan image. Le système d'imagerie de phase auto-référencé est configuré pour produire une image réelle en intensité et en phase du plan objet. La cohérence temporelle de la source d’éclairage est comprise entre 0,4% et 6% et la cohérence spatiale de la source d’éclairage, au niveau du système d’imagerie de phase auto-référencé, est comprise entre 0,4% et 10%. Le système optique comprend, en outre, une unité de traitement configurée pour propager numériquement l’image réelle, le long de l'axe optique.

Dans certains modes de réalisation, la cohérence temporelle de la source d’éclairage est voisine de 2,2% et la cohérence spatiale de la source d’éclairage, au niveau du système d’imagerie de phase auto-référencé, est voisine de 2,5%.

Dans certains modes de réalisation, la source d’éclairage est un laser blanc éclairant un filtre passe-bande. En variante, la source d’éclairage peut-être une source blanche à plasma éclairant un filtre passe-bande ou encore une diode laser.

Dans certains mode de réalisation, la source d'éclairage est configurée pour éclairer un espace objet dans une solution de nanoparticules, et l’unité de traitement est configurée pour:
compter le nombre de nanoparticules imagées dans l'image réelle,
propager numériquement l’image réelle, le long de l'axe optique, dans un volume image d'épaisseur prédéterminée,
compter le nombre des nanoparticules imagées dans les images propagées numériquement,
calculer la taille du volume objet correspondant au volume image,
calculer la concentration des nanoparticules sur la base du nombre (N) de nanoparticules imagées comptées et de la taille du volume objet.

Dans certains modes de réalisation, l'épaisseur prédéterminée est inférieure ou égale à la profondeur de champ numérique.

Dans certains modes de réalisation, pour déterminer la profondeur de champ numérique, l'unité de traitement est configurée pour:
compter le nombre de nanoparticules dans une image réelle d'une solution de nanoparticules, obtenue avec le système d'imagerie de phase auto-référencé;
propager numériquement l’image réelle dans des volumes image d'épaisseur variable croissante;
compter le nombre des nanoparticules imagées dans les images propagées numériquement;
analyser la variation du nombre de particules imagées comptées en fonction de l'épaisseur variable du volume image et identifier une épaisseur limite du volume image pour laquelle le nombre de nanoparticules imagées ne croit plus avec l'épaisseur variable du volume image et atteint un plateau,
déterminer la profondeur de champ numérique en fonction de l'épaisseur limite identifiée.

Dans certains modes de réalisation, le système optique comprend, en outre, une mémoire informatique dans laquelle est enregistré un abaque indiquant, pour différents types de nanoparticule, la correspondance entre l'amplitude, désignée ci-après "amplitude R", d’un champ formé des informations des parties réelles et/ou imaginaires du champ d’onde généré par une nanoparticule imagée et une profondeur de champ numérique. L'amplitude R peut correspondre, notamment, à l'amplitude d'un champ de Rytov.

Dans certains modes de réalisation, l'unité de traitement se réfère à l’abaque pour déterminer la profondeur de champ numérique à partir de l’amplitude R d’une nanoparticule imagée dans l'image réelle.

Dans certains modes de réalisation, pour une solution comprenant un mélange de nanoparticules, la source d'éclairage est configurée pour éclairer un espace objet dans la solution et l'unité de traitement est configurée pour :
compter les nanoparticules imagées dans l’image réelle, mesurer les amplitudes R de ces nanoparticules imagées et déterminer, en se referrant à un abaque tel que précédemment décrit, la profondeurs de champ numériques associée à chacune de ces particules imagées;
propager numériquement l’image réelle, le long de l'axe optique, dans un volume image d'épaisseur prédéterminée, notée D,
pour chacune des nanoparticules imagées dans les images propagées numériquement dans des plans du volume image, vérifier en utilisant l’abaque si l'amplitude R de la nanoparticule correspond à une profondeur de champ numérique, notée H, supérieure ou égale au double de la distance entre l’image propagée numériquement dans laquelle la nanoparticule est imagée et l’image réelle, dans l'affirmative conserver la particule pour le comptage et dans la négative ne pas la retenir pour le comptage;
pour chaque nanoparticule comptée, calculer le volume objet associé correspondant, si H≥D, au volume image d'épaisseur D ou, si H<D, à un volume image d'épaisseur égale à la profondeur de champ numérique H associée à la nanoparticule; et
calculer la concentration des nanoparticules qui est égale à la somme, sur toutes les nanoparticules comptées, des inverses des volumes objet associés.

Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.

Cette figure est un graphique représentant le nombre N de particules imagées dans un volume image d’épaisseur variable Dv, en micromètre (µm).
Cette figure est un graphique représentant la profondeur de champ numérique H, en micromètre (µm), en fonction de l’amplitude R, en unité arbitraire (a.u.), des pics de Rytov des nanoparticules imagées.
Cette figure représente un exemple de domaine de cohérence spatiale CS et temporelle CT.

Description détaillée

Un exemple de système optique selon l'invention comprend un microscope admettant un axe optique, une source d'éclairage, un système d'imagerie de phase auto-référencé appelé plus simplement "détecteur", et une unité de traitement configurée pour propager numériquement l’image réelle. La source d'éclairage éclaire le microscope qui conjugue un plan objet et un plan image contenant le détecteur. Le détecteur produit des images en phase et en intensité.

Le domaine de cohérence spatiale CS et temporelle CT de la source est choisi pour permettre de réaliser une propagation numérique fidèle à partir de l’image réelle d’une solution de nanoparticules de manière à déterminer la position des nanoparticules dans le volume objet. La propagation numérique consiste à propager numériquement l’image réelle, le long de l'axe optique, dans un volume image d'épaisseur prédéterminée inférieure ou égale à la profondeur de champ numérique.

La propagation numérique est fidèle seulement pour une certaine épaisseur du volume image, répartie symétriquement de part et d’autre de l'image réelle. Au-delà de cette épaisseur limite, les images propagées numériquement présentent des artefacts et ne représentent plus la réalité de l’échantillon de solution. Cette épaisseur limite correspond à la profondeur de champ numérique.

En particulier, on utilise une source d'éclairage dont la cohérence spatiale CS et temporelle CT est choisie ou modifiée pour faire opérer la source dans le domaine de cohérence souhaité. La représente le domaine de cohérence (CS et CT) choisi pour la source d'éclairage. Ce domaine est limité comme suit : de 0,4% à 6% en cohérence temporelle CT et de 0,4% à 10% en cohérence spatiale CS. Ce domaine englobe le mode de fonctionnement CT=2,2% et CS=2,5%, considéré comme optimal.

Pour la mise en œuvre de l’invention, l’homme du métier pourra considérer notamment les sources d'éclairage suivantes :
- une diode laser (Thorlabs L405P150 : longueur d’onde 405nm et puissance 150mW), de cohérence temporelle estimée à CT= 0,25% (1nm de largeur spectrale sur une longueur d’onde centrale de 405nm). Une modulation de la longueur d’onde pendant l’intervalle d’intégration du détecteur utilisé (par exemple 1 ms) peut être appliquée pour se rapprocher de la cohérence temporelle CT=2,2% considérée comme optimale;
- un laser blanc aussi désigné par « laser de super continuum », filtré par un filtre passe-bande (laser super-continuum de référence Leukos ELECTRO VIS 430) ;
- une source blanche à plasma, suffisamment puissante pour que le signal des nanoparticules soit supérieur au bruit, filtrée par un filtre passe-bande ;
- une source d’éclairage qui est une source de cohérence temporelle CT tendant vers 0 (e.g.une diode laser), en combinaison avec une méthode d’ajustement de la cohérence temporelle par la variation à haute-fréquence de longueur d’onde (trigger électronique) ;
- une source d’éclairage qui est une source de cohérence spatiale CS tendant vers 0 (e.g. une source avec un système de collimation), en combinaison avec une méthode d’ajustement de la cohérence spatiale comme notamment : par un système pour focaliser ou diversifier le faisceau, par le couplage avec une fibre optique multimode, par le mouvement à haute-fréquence (rotation/vibration/balayage) des éléments optiques ;
- une diode superluminescente.

On notera qu'une cohérence spatiale de l’ordre de 2% (donc proche de la valeur CS=2,5% considérée comme optimale) avec des microscopes connus s'avère satisfaisante pour mettre en œuvre l’invention.
L’enseignement de la présente demande, lorsqu’il présente un domaine de cohérence spatiale et temporelle n’établit pas de lien d’équivalence entre ces deux notions différentes par nature. Les contraintes d’appartenance à des intervalles de cohérence temporelle et spatiale s’entendent donc comme des conditions cumulatives devant être simultanément remplies.

En outre, il est entendu qu’un point de cohérence spatiale nulle (CS=0) ou de cohérence temporelle nulle (CT=0) est sans signification physique. Par conséquent, dans la présente demande, un intervalle de cohérence spatiale ou temporelle s’étendant entre 0 et une borne supérieure est un intervalle ouvert ne comprenant pas la valeur 0.

Le domaine de cohérence spatiale et temporelle représenté sur la est appelé ci-après « domaine principal ». Comme précédemment indiqué, le mode de fonctionnement considéré comme optimal pour l’invention, à l’intérieur du domaine principal, est obtenu pour CT=0,022 (2,2%) et CS=0,025 (2,5%).

Faire tendre CT ou CS vers 0 n’est pas un mode réalisation à privilégier car la présence de bruit optique dû à la cohérence spatiale et temporelle (tavelure, speckle ou granularité laser) dégrade la détection des particules en relevant le niveau de bruit du fond, ce qui fait décroître le nombre de particules détectées et le volume de propagation possible. Un domaine adapté à la mise en œuvre de l'invention est donc un domaine excluant CT=0 ou CS=0.

Dans la présente demande, la cohérence temporelle CT de la source d’éclairage est considérée comme voisine de 2,2% et la cohérence spatiale CS de la source d’éclairage au niveau du système d’imagerie de phase auto-référencé, est considérée comme voisine de 2,5%, si ces deux paramètres CT, CS sont respectivement dans un intervalle contenant la valeur CT=2,2% et dans un intervalle contenant la valeur CS=2,5%, ces deux intervalles étant strictement inclus, respectivement, dans les intervalles du domaine principal précité et représenté sur la , c'est à dire entre 0,4% et 6% pour CT et entre 0,4% et 10% pour CS. En d'autres termes, la combinaison CT=2,2% et CS=2,5% étant considérée comme un « point optimum » de fonctionnement du système, un voisinage du point optimum au sens de la présente demande est un sous-domaine quelconque du domaine principal qui contient le point optimum. On peut citer, par exemple, un sous-domaine avec une plage de 1,7% à 2,7% pour CT et une plage de 2% à 3% pour CS.

Dans l’art antérieur, une valeur basse mais relativement courante pour la cohérence spatiale est typiquement CS = 0,1%. Un document de l'art antérieur qui enseignerait de minimiser la cohérence spatiale ou de la faire tendre vers 0 doit donc être interprété comme enseignant de choisir des valeurs de CS inférieures à 0,1%. Ceci ne correspondrait donc pas aux conditions de mise en œuvre de l’invention dans l'intervalle [0,4% ; 10%] de cohérence spatiale CS.

Dans l’art antérieur, une valeur basse mais relativement courante pour la cohérence temporelle est typiquement CT = 0,02% (sans que cette valeur soit reliée à la valeur basse courante de cohérence spatiale CS mentionnée plus haut). Un document de l'art antérieur qui enseignerait de minimiser la cohérence temporelle CT doit donc être interprété comme enseignant de choisir des valeurs de CT inférieures à 0,02%. Ceci ne correspondrait donc pas aux conditions de mise en œuvre de l’invention dans l'intervalle [0,4% ; 6%] de cohérence temporelle CT.

Pour réaliser un tel système optique, il suffira pour une source d'éclairage donnée, soit de vérifier qu’elle correspond au domaine de cohérence spatiale et temporelle précité, soit de vérifier que le rapport signal sur bruit qu’elle procure sur un détecteur permet la détection des nanoparticules et la propagation numérique de l'image réelle.

Dans la présente demande, un détecteur produisant des images en phase et en intensité est entendu comme un détecteur produisant une mesure de phase proprement dite mais aussi de façon équivalente une grandeur apte à reconstruire l’information de phase comme une grandeur proportionnelle à la phase, comme une différence de chemin optique, ou comme un ou des gradients de la phase qui permettent de la reconstruire par intégration.

A titre d'exemple, les dispositifs suivants peuvent être utilisés comme détecteur::
-un dispositif d’interférométrie à décalage multi-latéral utilisant un masque de Hartmann modifié, par exemple par superposition d’un réseau d’amplitude de période p donnée et d’un réseau de phase de période 2.p comme par exemple un détecteur référencé sous le nom « SID4 » et commercialisé par la société « Phasics »;
- des analyseurs de front d’onde, permettant d’établir une cartographie en phase d’un front d’onde, combinés à un détecteur d’intensité pour analyser simultanément et avec une référence spatiale commune, la phase et l’intensité d’une onde;
- un analyseur ou imageur de front d’onde connu de l’art antérieur comme un analyseur de courbure, un capteur de Shack-Hartmann, un montage de microscopie de phase quantitative comme par exemple un dispositif d’holographie numérique auto-référencé.

La détermination de la profondeur de champ numérique pour calculer la concentration de nanoparticules est basée sur la propagation numérique de l’image réelle pour calculer le champ d’onde dans le volume objet. Pour résoudre l’équation d’onde dans un milieu inhomogène (comme c’est le cas d’un milieu contenant une population de nanoparticules) et effectuer une propagation numérique, plusieurs approches ou méthodes connues de l’art antérieur peuvent être appliquées, parmi elles notamment : la méthode des rayons (ou l’optique géométrique), la méthode des faibles perturbations de Born, l’approche de Rytov, l’approximation parabolique et l’équation de transfert en intensité.

Dans certains modes de réalisation, on utilise un microscope de révolution autour d’un axe optique confondu avec l’axe des z d’un repère orthonormé (O, x, y, z) dans un espace image, et un détecteur de surface S, disposé dans le plan image z=0 et fournissant une mesure de l’intensité et de la phase du champ complexe incident sur ce détecteur. On forme ainsi sur le détecteur une image réelle en intensité et en phase, appelée également holographique, de nanoparticules disposées dans le volume objet autour d’un plan objet conjugué optiquement du plan du détecteur.

On peut compter le nombre de nanoparticules imagées n(z=0) dans l’image réelle, puis par propagation numérique par pas d'épaisseur d, de façon symétrique par rapport au plan image (i.e., le plan de l'image réelle), obtenir des images de plans distants de d/2 du détecteur et distants entre eux de d. On peut alors compter le nombre de nanoparticules imagées n(-d/2) et n(d/2) dans ces deux plans. Par addition on obtient un nombre de particules imagées N(d) = n(0) + n(-d/2) + n(d/2) dans le volume, image d’épaisseur d, c’est-à-dire en sommant les particules imagées dans des plans intérieurs au volume image (ici, le plan du détecteur) et en surface du volume image d’épaisseur d.

Il est aisé de démontrer qu’en propageant de même progressivement l’image en –d/2 dans le plan en –d et l’image en +d/2 dans le plan en +d, c’est-à-dire en augmentant symétriquement par rapport à l’image, le volume image par pas d’épaisseur d, on peut compter le nombre de particules imagées par deux propagations numériques dans deux nouveaux plans situés en dehors du volume image pour lequel le nombre de particules est antérieurement connu. On ajoute le nombre des particules imagées connu dans le volume intérieur aux nouveaux plans et le nombre de particules imagées dans ces nouveaux plans, de proche en proche. Ainsi pour une épaisseur variable Dv=k*d (k étant un nombre entier positif) de volume image, on a: N((k+1)*d)=N(k*d)+n(k*d/2)+n(-k*d/2).

On peut tracer alors le graphe ou la courbe N(Dv) représentative du nombre N de particules imagées en fonction de l'épaisseur variable Dv pour une expérience ou une courbe moyenne pour plusieurs expériences (plusieurs images réelles d’une même solution de nanoparticules).

Pour une population de nanoparticules données (taille et nature fixées), on observe pour une source de cohérence spatiale et temporelle contrôlées, que le nombre N des particules imagées (qui peut être un nombre moyen si plusieurs expériences sont faites) présentes dans un volume image de plus en plus grand ne croît pas linéairement mais plafonne à une valeur constante sur un plateau ou zone de plateau P qui s’étend en projection sur l’axe des épaisseurs Dv, sur une plage d’épaisseurs k1*d ≤ Dv ≤ k2*d avec k1<k2 et sur l’axe des N en gardant une valeur sensiblement constante aux erreurs de mesure près. Il est alors possible de déterminer la valeur H=k1*d comme étant la profondeur de champ numérique pour le dispositif expérimental utilisé et pour la population de nanoparticules imagées.

Les explications qui précèdent sont illustrées par l'exemple de la . Dans cet exemple, les particules utilisées sont des particules de polystyrène de 100nm de diamètre. La est un graphe représentant le nombre N de particules imagées dans un volume image V d’épaisseur variable Dv en micromètre (µm) après la propagation numérique de l’image réelle dans le volume image V. Ce volume image V est centré sur le plan de l'image réelle et son épaisseur Dv croit symétriquement de part et d’autre de l'image réelle. Les particules imagées sont comptées dans des images propagées numériquement et espacées les unes des autres pour reconstituer le volume image V. Cette opération a été réalisée pour plusieurs images réelles d’un même échantillon (traits clairs), les relations sont ensuite moyennées pour obtenir la courbe N(Dv) en trait épais. Cette courbe N(Dv) présente une croissance monotone jusqu’à un plafonnement sur une zone de plateau P (entourée de pointillés sur la ) à l’intérieur de laquelle le nombre N de particules imagées est sensiblement stable avec Dv. Il existe ainsi une épaisseur limite à partir de laquelle le nombre N de particules imagées plafonne dans la zone P à une certaine valeur notée N(H). Dans l'exemple de la figure, N(H) est proche de 16. La profondeur de champ numérique H correspond à ladite épaisseur limite. Dans l'exemple de la figure, la profondeur de champ numérique H est estimée être égale à 25 µm.

Pour des épaisseurs Dv supérieures à H, la reconstruction du volume par propagation numérique est considérée comme n’étant plus fidèle de la réalité du volume objet. En effet, le plafonnement de N puis sa croissance avec Dv (pour Dv>H) ne correspondent pas à une réalité physique pour un échantillon homogène de nanoparticules (pour lequel N doit croitre constamment avec Dv). Pour Dv>H, la propagation numérique ne permet donc plus de reconstituer les images des objets physiquement présents dans le volume objet mais crée des images d’objets non présents dans le volume objet.

Pour éviter ou limiter au maximum des artefacts de comptage, une propagation numérique sur une distance (i.e. une épaisseur prédéterminée D de volume image) choisie inférieure ou égale à la profondeur de champ numérique H déterminée avec des nanoparticules de référence sera un mode privilégié de mise en œuvre pour déterminer la concentration d’une population de nanoparticules sans connaissance a priori de celles-ci.

Le pas d est choisi pour être inférieur à la résolution axiale du microscope et permettre un échantillonnage fidèle du volume.

La valeur de la profondeur de champ numérique pour une nanoparticule dépend du volume de la particule et du module de la différence d’indice complexe entre la particule et le milieu environnant à une longueur d’onde donnée, à une CS et une CT données, et un système d’imagerie donné (ouverture numérique d’illumination et de collection).

Les inventeurs ont découvert que l’approche de Rytov était d’application particulièrement pertinente pour le calcul de concentration de nanoparticules. En effet le calcul du champ complexe de Rytov et notamment de son intensité, facilite la détection des nanoparticules imagées dans l’image réelle et dans les images propagées numériquement.

L‘approche de Rytov décrite ici est valable dans les domaines de cohérence spatiale CS et temporelle CT de la source d'éclairage mentionnés plus tôt.

On forme à partir de l’intensité I(x,y,zi) et la phase phi(x,y,zi) dans le plan du détecteur (image réelle) (zi=0) ou dans le plan d’une image propagée numériquement (zi différent de zéro), le champ complexe de Rytov r(x,y,zi) par des formules connues de l’art antérieur, dans d’autres domaines d’application.

On forme ensuite une image de Rytov en intensité R(x,y,zi) dans le plan zi par le carré du module dans ce plan de l’amplitude complexe de Rytov selon la formule : R(x,y,zi)=|r(x,y,zi)|². Alternativement une image en amplitude de Rytov peut être obtenue aux mêmes fins, en formant la racine carrée de R en fonction de x, y dans le plan zi.

Utiliser l’intensité de Rytov est particulièrement efficace pour détecter les nanoparticules imagées que ce soit dans les images réelles ou propagées. En effet, l’intensité ou l’amplitude de Rytov permettent d’obtenir pour une nanoparticule, nette dans le plan considéré, un signal positif sur fond nul, quel que soit la nature de la nanoparticules (que le signal soit contenu dans la partie réelle ou imaginaire de l’image réelle ou propagée, il sera visible dans l’intensité ou l’amplitude du champ de Rytov).

Utiliser l'intensité de Rytov est donc une manière privilégiée pour identifier et compter les nanoparticules imagées dans le volume image après propagation numérique (en calculant le champ de Rytov pour chaque image propagée numériquement dans le volume image et en réalisant la détection sur l’image correspondante de l’intensité ou de l’amplitude de Rytov), tel que décrit plus haut. Le calcul du champ de Rytov est donc utile pour compter les nanoparticules imagées. De plus, les inventeurs ont découvert que l’intensité ou l'amplitude du champ de Rytov est caractéristique de la profondeur de champ numérique associée. En effet, lorsque l’information d’amplitude complexe est exprimée sous la forme du champ de Rytov, pour un système optique adapté au régime de cohérence CT et CS, on obtient le résultat que la profondeur de champ numérique n’est plus fonction que de l’intensité ou de l’amplitude de Rytov, au sens où des nanoparticules ayant la même intensité ou amplitude de Rytov sont détectables dans une même profondeur de champ numérique même si leur indice optique ou leur volume sont différents. Ce résultat est illustré par la . Cette figure est un graphique représentant la profondeur de champ numérique H, en micromètre (µm), en fonction de l’amplitude moyenne R des pics de Rytov, en unité arbitraire (a.u.), des nanoparticules imagées. Ici, l’observable choisie est l’amplitude du champ de Rytov du champ complexe propagé numériquement, dans le volume image d’épaisseur égale à la profondeur de champ numérique H. Chaque point et sa statistique associée correspondent à des échantillons homogènes de nanoparticules différentes, les nanoparticules de chaque échantillon ayant un diamètre et une nature fixés.

Ainsi, la présente la valeur de l’amplitude moyenne R de Rytov pour des échantillons de nanoparticules différentes (chaque échantillon est homogène en composition et en taille) en fonction de la profondeur de champ numérique H déterminée par la méthode de détermination du plateau P (voir ) précédemment décrite. Chaque point correspond à un échantillon différent, c’est-à-dire à un couple (diamètre moyen, matériaux) différent. Les échantillons suivants sont représentés :
- Polystyrène (PS) 60nm, PS 80nm, PS 100nm, PS 150 nm, PS 200nm,
- Or 60 nm, Or 100 nm
- Argent 100 nm et
- Diamant 80 nm.

On observe qu’il existe une relation entre la profondeur de champ numérique H et l’amplitude R des pics de Rytov, ou amplitude de Rytov. Cette relation peut être approximée par la ligne en pointillé du graphe. Ce graphe peut donc être utilisé comme abaque dans la mesure où, pour un système optique donné, fonctionnant dans un régime de CS et CT donné, il est possible de déterminer la profondeur de champ numérique H associée à une nanoparticule inconnue par une simple mesure de l’amplitude R de Rytov de cette nanoparticule. Ceci évite d’avoir à réaliser systématiquement le procédé de détermination de la profondeur de champ numérique H par propagation de l’image réelle, comptage des nanoparticules imagées et détermination du plateau P (voir ). Un tel abaque permet de déterminer une calibration de la profondeur de champ numérique d’un système optique fixé en fonction de l’amplitude de Rytov des objets imagés par ce système.

Ainsi, grâce à l’approche de Rytov, la profondeur de champ numérique peut être déterminée directement par la mesure de l'amplitude de Rytov en se référant à un abaque, c’est-à-dire un graphique ou un tableau indiquant la correspondance entre l'amplitude R de Rytov et la profondeur de champ numérique H. L’amplitude de Rytov est donc une mesure de choix de la profondeur de champ numérique pour un type de nanoparticule dans un système optique en vue d’une mesure de concentration des nanoparticules.

Il en résulte que pour un système optique dont la correspondance entre l'amplitude R de Rytov et la profondeur de champ numérique H est connue par un abaque tel que précédemment décrit, on peut pour une seule nanoparticule imagée en intensité et en phase sur le détecteur connaître en formant l’image de l’amplitude de Rytov, et en cherchant un pic de signal dans l’image de Rytov, à la fois localiser la nanoparticule imagée et en déduire la profondeur de champ numérique associée à cette nanoparticule.

Le champ de Rytov peut être remplacé par une autre combinaison des informations des parties réelles et imaginaires du champ d’onde ou, si une connaissance a priori sur la réponse des particules est connue, par uniquement la composante réelle ou la composante imaginaire. En d'autres termes, à la place du champ de Rytov, d'autres champs formés des informations des parties réelles et/ou imaginaires du champ d’onde, peuvent être utilisés.

Le système optique et la méthode de mesure proposés permettent donc d’obtenir une mesure de la concentration de n’importe quelles nanoparticules indépendamment de la nature physique des nanoparticules et de leur taille et sans avoir besoin de calibrer le système avec des échantillons de concentrations connues.

En effet, déterminer la profondeur de champ numérique permet de délimiter le volume image dans lequel la reconstruction par propagation numérique à partir de l’image réelle est fidèle de la réalité de l’échantillon imagé. La propagation numérique est donc effectuée pour ce volume, les nanoparticules imagées sont comptées pour ce volume et la concentration des nanoparticules est calculée comme étant égale au nombre de nanoparticules comptées divisé par le volume. Ce volume est contrôlé et défini numériquement et n’est pas le résultat d’une hypothèse ou de calibration pour définir ce volume. Cette mesure de concentration est réalisée uniquement à partir du signal optique provenant de l’échantillon et ne nécessite pas de calibration préalable avec des échantillons de concentrations connues.

La connaissance de la profondeur de champ numérique permet d’éviter de propager numériquement l’image réelle sur des épaisseurs de volume image trop importantes ce qui donne une meilleure mesure de la concentration (les artéfacts de propagation ne sont pas comptabilisés comme des nanoparticules imagées) tout en limitant le temps de calcul numérique de propagation.

L’utilisation de l’abaque, caractéristique d’un système optique donné, permet de déterminer la profondeur de champ numérique à partir de la mesure de l’amplitude de Rytov d’une nanoparticule imagée dans l’image réelle. Ceci limite encore plus le temps de calcul dans la mesure où l’étape initiale de propagation, sur une épaisseur Dv croissante ( ) qui sert à déterminer la profondeur de champ numérique H, n’est pas nécessaire. Seule la propagation sur une épaisseur D inférieure ou égale à la profondeur H est effectuée pour permettre le comptage.

Pour des échantillons de nanoparticules hétérogènes (en composition et en taille) il est également possible de calculer la concentration de l’échantillon par les méthodes précédemment décrites. Dans un tel mélange les nanoparticules possèdent des profondeurs de champ numériques différentes. Il faut veillez à ce que les particules imagées du volume image qui contribuent au calcul de la concentration ne soient pas des artefacts de propagation numérique. Ceci est réalisé en vérifiant grâce à l’abaque, pour chacune des nanoparticules imagées dans les images propagées numériquement successives du volume image (d’épaisseur D), que l'amplitude R de la nanoparticule correspond à une profondeur de champ numérique H supérieure ou égale au double de la distance entre l’image propagée numériquement dans laquelle la nanoparticule est imagée et l’image réelle. Si cette condition est vérifiée la particule est conservée, si elle n’est pas vérifiée, la nanoparticule n’est pas retenue. Il faut également veillez dans le calcul de la concentration à considérer, pour chaque nanoparticule, le volume image dans lequel elle a été comptabilisée. Pour les nanoparticules retenues :
- si H<D alors ce volume a pour épaisseur H;
- si H≥D alors ce volume a pour épaisseur D.

La concentration finale est égale à la somme, sur les particules retenues, de l’inverse de ces volumes.

Sous l’hypothèse que le grandissement latéral et axial est connu entre l’espace objet et l’espace image, la relation suivante donne la correspondance entre le volume objet V1 et le volume image V2 =V1.gx.gy.gz où gx=gy est le grandissement latéral du système optique entre le plan objet et le plan image et gz le grandissement axial au voisinage du plan du détecteur dans la direction z de l’axe optique du système optique utilisé pour la conjugaison, supposé de révolution.

Pour calculer un volume objet à partir du volume image, on pourra utilement utiliser la surface du détecteur et le grandissement latéral et axial du système optique pour compléter les dimensions du volume image puis obtenir le volume objet.

La présente demande est susceptible d’application industrielle notamment dans le domaine de la mesure de concentration de nanoparticules.

Le dispositif et la méthode proposés sont particulièrement adaptés à la mesure de la concentration de nanoparticules en solution, soumises à un mouvement brownien, car la disponibilité de l’intensité et de la phase de façon auto-référencée au cours du temps (réalisation d’un film) permet d’envisager un suivi et une refocalisation des nanoparticules dans les images propagées en dehors du plan de l’image réelle au sens de la présente demande et d’obtenir un rapport signal sur bruit apte à mettre en œuvre l’enseignement de la présente demande, en moyennant les images propagées numériquement successives d’une même particule.

Claims

Système optique comprenant un microscope admettant un axe optique, une source d'éclairage pour le microscope et un système d'imagerie de phase auto-référencé,
dans lequel la source d'éclairage est configurée pour éclairer un espace objet,
dans lequel le microscope est configuré pour conjuguer un plan objet de l'espace objet avec un plan image, le système d'imagerie de phase auto-référencé étant disposé dans ou au voisinage du plan image, et
dans lequel le système d'imagerie de phase auto-référencé est configuré pour produire une image réelle en intensité et en phase du plan objet,
dans lequel la cohérence temporelle (CT) de la source d’éclairage est comprise entre 0,4% et 6% et la cohérence spatiale (CS) de la source d’éclairage, au niveau du système d’imagerie de phase auto-référencé, est comprise entre 0,4% et 10 %,
le système optique comprenant, en outre, une unité de traitement configurée pour propager numériquement l’image réelle, le long de l'axe optique.
Système optique selon la revendication 1, dans lequel la cohérence temporelle (CT) de la source d’éclairage est voisine de 2,2% et la cohérence spatiale (CS) de la source d’éclairage, au niveau du système d’imagerie de phase auto-référencé, est voisine de 2,5%.
Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la source d’éclairage est un laser blanc éclairant un filtre passe-bande.
Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la source d’éclairage est une source blanche à plasma éclairant un filtre passe-bande.
Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la source d’éclairage est une diode laser.
Système optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la source d'éclairage est configurée pour éclairer un espace objet dans une solution de nanoparticules, et dans lequel l’unité de traitement est configurée pour:
compter le nombre de nanoparticules imagées dans l'image réelle,
propager numériquement l’image réelle, le long de l'axe optique, dans un volume image d'épaisseur prédéterminée,
compter le nombre des nanoparticules imagées dans les images propagées numériquement,
calculer la taille du volume objet correspondant au volume image,
calculer la concentration des nanoparticules sur la base du nombre (N) de nanoparticules imagées comptées et de la taille du volume objet.
Système optique selon la revendication 6, dans lequel l'unité de traitement est configurée pour:
- compter le nombre de nanoparticules dans une image réelle d'une solution de nanoparticules, obtenue avec le système d'imagerie de phase auto-référencé;
- propager numériquement l’image réelle dans des volumes image d'épaisseur variable (Dv) croissante;
- compter le nombre des nanoparticules imagées dans les images propagées numériquement;
- analyser la variation du nombre (N) de nanoparticules imagées comptées en fonction de l'épaisseur variable (Dv) du volume image et identifier une épaisseur limite du volume image pour laquelle le nombre (N) de nanoparticules imagées ne croit plus avec l'épaisseur variable (Dv) du volume image et atteint un plateau (P), et
- déterminer une profondeur de champ numérique (H) en fonction de l'épaisseur limite identifiée; et
dans lequel l'épaisseur prédéterminée est inférieure ou égale à la profondeur de champ numérique (H).
Système optique selon la revendication 6 ou 7 dans lequel le système comprend, en outre, une mémoire informatique dans laquelle est enregistré un abaque indiquant pour différents types de nanoparticule, la correspondance entre une profondeur de champ numérique (H) et l'amplitude, notée amplitude R, d’un champ formé des informations des parties réelles et/ou imaginaires du champ d’onde généré par une nanoparticule imagée.
Système optique selon la revendication 8 dans lequel l'unité de traitement se réfère à l’abaque pour déterminer une profondeur de champ numérique (H) à partir de l’amplitude R d'une nanoparticule imagée dans l'image réelle, et
dans lequel l'épaisseur prédéterminée est inférieure ou égale à la profondeur de champ numérique (H).
Système optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant, en outre, une mémoire informatique dans laquelle est enregistré un abaque indiquant, pour différents types de nanoparticule, la correspondance entre une profondeur de champ numérique et l'amplitude, notée amplitude R, d’un champ formé des informations des parties réelles et/ou imaginaires du champ d’onde généré par une nanoparticule imagée,
dans lequel la source d'éclairage est configurée pour éclairer un espace objet dans une solution comprenant un mélange de nanoparticules,
dans lequel l'unité de traitement est configurée pour :
compter les nanoparticules imagées dans l’image réelle, mesurer leur amplitude R et déterminer en se référant à l’abaque la profondeur de champ numérique associée à chacune de ces nanoparticules imagées;
propager numériquement l’image réelle, le long de l'axe optique, dans un volume image, d'épaisseur prédéterminée, notée D;
pour chacune des nanoparticules imagées dans les images propagées numériquement du volume image, vérifier en utilisant l’abaque, si l'amplitude R de la nanoparticule correspond à une profondeur de champ numérique, notée H, supérieure ou égale au double de la distance entre l’image propagée numériquement dans laquelle la nanoparticule est imagée, et l’image réelle, dans l'affirmative conserver la nanoparticule pour le comptage et dans la négative ne pas la retenir pour le comptage;
pour chaque nanoparticule comptée, calculer un volume objet associé correspondant, si H≥D, au volume image d'épaisseur D ou, si H<D, à un volume image d'épaisseur égale à la profondeur de champ numérique H associée à la nanoparticule; et
calculer la concentration des nanoparticules qui est égale à la somme, sur toutes les nanoparticules comptées, des inverses des volumes objet associés.