WO2023057728A1 - Dispositif et méthode de transport et de contrôle en direct de faisceaux lumineux - Google Patents

Dispositif et méthode de transport et de contrôle en direct de faisceaux lumineux Download PDF

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WO2023057728A1
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optical fiber
transmission matrix
distal end
proximal
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Esben Ravn ANDRESEN
Jean YAMMINE
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Centre National De La Recherche Scientifique
Universite De Lille
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    • G01M11/3154—Details of the opto-mechanical connection, e.g. connector or repeater

Definitions

  • the present invention relates to devices and methods for transporting and controlling light beams, in particular for so-called “lensless” endo-microscopic imaging.
  • the present invention applies for example to endoscopic exploration, for example of organs of a living being even though the latter can move freely during the measurement.
  • the present invention allows “live” measurement of the transmission matrix of the fiber, even though the fiber may undergo conformational changes.
  • the present invention also relates to a fiber device suitable for implementing the method.
  • proximal and distal are defined as follows: The proximal side is the side closest to the source and the furthest from the area to be analyzed and the distal side is the side furthest from the source and therefore the closest of the area to be analyzed) by a coherent light source.
  • a wavefront modulator also known as a spatial phase modulator
  • SLM spatial Light Modulator
  • the wavefront modulator makes it possible to shape the field coming from the source and thus controlling the field injected into the multimode optical fiber.
  • the wavefront modulator makes it possible to control with what amplitude and what phase the modes of propagation of the fiber are excited, so that the coherent addition of these modes makes it possible to generate the figure of intensity sought at the distal end of the multimode optical fiber, typically a focal point (also called focus).
  • the transmission matrix of the fiber is highly dependent on the geometric conformation of the fiber. Endo-microscopic imaging using a multimode optical fiber is therefore extremely sensitive to fiber movements. Furthermore, because the optical fiber used is generally a multimode fiber, a short pulse near the proximal end is elongated approaching the distal end, which limits the possibilities of application to imaging. nonlinear which requires working with short light pulses of high peak intensity.
  • a speed delay control device is described group (or "GDC” for “Group Delay Control”) for the transport and control of light pulses in a lensless endo-microscopic imaging system based on the use of a bundle of single-mode optical fibers.
  • FIG. 1A schematically illustrates a lensless endomicroscopic imaging system 100 using a multimode optical fiber MMF guiding N specific modes of the state of the art.
  • the imaging system generally comprises an emission path with an emission source 10 for the emission of an incident light beam, continuous or formed of pulses in the case of the application to nonlinear imaging.
  • the imaging system 100 also comprises a detection path comprising an OBJ lens and a camera. The optical path of the detection path is separated from the optical path of the emission path by a splitter plate 22.
  • the imaging system 100 also comprises a device for transporting and controlling the light beams which comprises a multimode optical fiber MMF , and which makes it possible to illuminate a distant object 101 to be analyzed, and an SLM wavefront modulator which is arranged at the proximal end of the multimode optical fiber MMF and which makes it possible to control the wavefront (or the electromagnetic field which can be simply called "field", characterized by an amplitude and a phase) of the beam emitted by the source 10.
  • the wavefront modulator SLM makes it possible to adjust the phase function and the amplitude function of the wavefront of the incident beam, and thus to control the phase function and the amplitude function of the wavefront of the beam leaving the multimode optical fiber MMF.
  • Figure 1 B schematically illustrates a prior art assembly which makes it possible to measure the transmission matrix of a fiber.
  • the assembly of Figure 1 B is actually a simple modification of the endo-microscopic imaging assembly without lens of Figure 1 A.
  • Elements a CAM camera, an OBJ lens
  • FIG. 1C schematically illustrates the injection of focal points into a fiber and the measurement of the resulting field in order to calculate the transmission matrix in the base of the localized modes of the fiber in a conformation any.
  • a base of proximal localized modes being generated using an SLM wavefront modulator.
  • a proximal localized mode is injected at the proximal end of the MMF fiber (that is to say a light beam is injected at the end proximal end of the fiber so as to obtain a focal point at this location) and the CAM camera measures the resulting field at the level of the distal end of the MMF fibre.
  • the transmission matrix, in the base of localized modes, can thus be calculated from the measurement of the fields resulting from the injection of the proximal localized modes.
  • the “localized modes” have amplitude figures which are spatially delimited from each other, i.e. the localized modes do not or only slightly overlap each other. “Distal localized modes” can often be identified as pixels or clusters of pixels measured by the CAM camera. “Proximal localized modes” can often be identified as pixels or pixel arrays generated by the SLM wavefront modulator.
  • the prior art transmission matrix measurement method requires the fiber to remain in the same conformation during transmission matrix measurement ( Figures 1B and 1C) and during acquisition of images from the object to be analyzed ( Figure 1 A).
  • the number of proximal localized modes and the number of distal localized modes must both be greater than the number of eigenmodes guided by the fiber.
  • the number of proximal localized modes does not necessarily have to be equal to the number of distal localized modes. This measurement method is time-consuming and very sensitive to fiber conformation. It is essential, for the measurement to be reliable, that the fiber does not change conformation throughout the duration of the measurement.
  • Figure 1D illustrates the impact of a change in conformation from a known conformation REF to an unknown conformation RAND of the fiber.
  • This change in conformation leads to a blurred image of the image acquired by endoscopic imaging without lens.
  • the fiber of the endoscope is an MMF multimode optical fiber
  • the resulting image is blurred.
  • the endoscope fiber is an MCF multi-core fiber
  • the resulting image is translated. [0022]
  • This interference appears because the change in fiber conformation disturbs the natural modes of said fiber.
  • the transmission matrix of the fiber is then modified.
  • the scrambling of the image due to the change in conformation of the fiber is particularly troublesome during an in vivo observation, for example of an organ. This results in effect in a scrambling of the captured image each time the conformation of the fiber deviates from the conformation in which the transmission matrix was measured.
  • the present invention improves the situation by proposing devices and methods for transporting and controlling light beams, in particular for so-called "lensless" endomicroscopic imaging systems, which make it possible to measure in real time the transmission matrix of the fiber in any conformation.
  • the imaging method of the present invention makes it possible to calculate in real time the transmission matrix of a fiber in any conformation just before adjusting a real-time wavefront modulator during the acquisition of an image or a batch of images of an object to be analyzed, so that imaging of the object to be analyzed, even in motion, is possible.
  • the measured image is always sharp regardless of the conformation of the fiber.
  • the present invention finds particular interest in biology where it is sometimes necessary to obtain real-time images, for example of the brain of a mouse, even when the imaged sample is in motion and, with it, the endoscope.
  • the invention proposes a method for measuring a transmission matrix of a first optical fiber, such as a multimode fiber, the optical fiber being in any conformation and guiding N eigenmodes, the fiber comprising a proximal stub comprising a proximal end and a distal end and a distal stub comprising a proximal end and a distal end, wherein the distal end of the proximal stub is connected to the proximal end of the distal stub at the using an inter-fiber coupler, the method comprising the following steps:
  • Such a method makes it possible to estimate the transmission matrix of an optical fiber in any conformation.
  • the transmission matrix is also obtained in a very short time, close to a millisecond.
  • the very short measurement time of the transmission matrix has the direct consequence of being able to image a sample in real time using an endoscope without lens because it is possible to determine the transmission matrix before each measurement of the sample ; the measurements necessary for the determination of the transmission matrix and the analysis of the sample being carried out in conformations of the fiber that are extremely close or even identical.
  • the present invention involves the injection of some pilot fields at the distal end and the measurement of the resulting fields at the proximal end.
  • the means proposed by the present invention for injecting pilot fields at the distal end of the proximal section of the first optical fiber are less bulky than the means for measuring the resulting fields at the distal end of an optical fiber according to a method standard measurement method, which makes it possible to have the means for measuring the transmission matrix and the sample in the same endomicroscope.
  • pilot fields are meant fields which have known properties and which allow, from measurements of the resulting fields in the distal part (if injected in the proximal part), or of the resulting fields in part proximal (if injected in the distal part), to calculate the transmission matrix H of the first optical fiber in any conformation.
  • n pilot fields are injected, n being a positive integer.
  • Each pilot field can be expressed using a column vector Ei .pilot field of dimension [Nx1], i being a positive integer between 1 and n; and N being a positive integer corresponding to the number of eigenmodes of the first fiber.
  • a pilot field is for example a focal point, injected into the first fiber.
  • focal point injected at a location or equivalently “localized mode injected at a location” means that a light beam (i.e. an electromagnetic field) is injected at this location. and so as to have a focal point there.
  • a light beam i.e. an electromagnetic field
  • the estimation of the transmission matrix of the present invention comprises a step which consists in injecting, at the distal end of the proximal section of a first optical fiber, n pilot fields.
  • Each of the n pilot fields is injected alone into the fiber. Once the field resulting from the injection of a pilot field has been measured, another pilot field is injected, and so on, n resulting fields are therefore measured successively.
  • the step of injecting the n pilot fields can further comprise a simultaneous injection of the n pilot fields so that the relative phase between the n pilot fields is measurable. n+1 resulting fields are then measured in this case.
  • the pilot fields can be chosen to be coherent (coming from the same laser) with each other. This improves the reliability of the estimation of the transmission matrix.
  • each eigenmode of the first fiber must have a non-zero spatial overlap with at least one pilot field.
  • the number n of pilot fields can be chosen to be greater than or equal to the greatest number of eigenmodes of the degenerate multimode fiber between them. THE number of eigenmodes degenerate between them having been measured beforehand or being known.
  • the number n of pilot fields is chosen equal to the greatest number of mutually degenerate eigenmodes of the transmission matrix of the first fiber.
  • a pilot field is generated using a light source.
  • the light source can be coupled to an optical device such as a lens.
  • the light source is for example a laser.
  • the light source can be advantageously coupled to an objective and to an SLM wavefront modulator.
  • the pilot fields can be injected using a second optical fiber, such as a multi-core optical fiber, the distal end of which is connected to the distal end of the proximal section of the first fiber for example between 1 mm and 5 cm, preferably 2 cm upstream of the distal end of the distal section of the first optical fiber.
  • a second optical fiber such as a multi-core optical fiber, the distal end of which is connected to the distal end of the proximal section of the first fiber for example between 1 mm and 5 cm, preferably 2 cm upstream of the distal end of the distal section of the first optical fiber.
  • the pilot fields can be the natural modes of the second optical fiber.
  • the pilot fields are injected at the proximal end of the second optical fiber, pass through the second optical fiber, emerge at the distal end of the second optical fiber and are then injected at the distal end of the proximal section of the first optical fiber.
  • the pilot fields then cross the proximal section of the first optical fiber and finally come out at the proximal end of the first optical fiber (which is the proximal end of the proximal stub) where the resulting fields can be measured in order to measure the transmission matrix of the first fiber along its entire length (proximal stub and distal stub).
  • the connection between the first fiber and the second fiber will be explained in more detail below.
  • the method of present invention can be implemented without the need for constraining optics placed at the level of the distal end of the first optical fiber (which is the distal end of the distal section).
  • the distal end of the first optical fiber being devoid of any optics, it is possible to easily approach the distal end of the first fiber to a small biological sample.
  • the distal end of the distal section of the first fiber can be inserted into the head of a living mouse in order to image an area of its brain there.
  • the second optical fiber is preferably a multi-core fiber with single-mode cores.
  • the multi-core optical fiber can comprise at least as many cores as pilot fields, each pilot field being transported in a dedicated core of the multi-core optical fiber before being injected at the distal end of the first fiber .
  • single-mode optical fiber we understand a fiber in which the light can only propagate in a single mode of the electromagnetic field; by extension, we also understand a so-called “effective monomode” optical fiber which includes several modes but in which the coupling conditions only excite a single mode (generally the fundamental mode) which confines the light throughout the propagation (no leakage to other modes).
  • single-mode optical fiber may be used to refer both to an individual single-mode optical fiber and to a single-mode core of a multi-core optical fiber.
  • the transport of a pilot field in a dedicated core of the multi-core optical fiber makes it possible to limit the optical distortions undergone by the pilot field over the fiber. Indeed, if the second fiber is a multimode fiber, the pilot field can undergo different distortions, while in a singlemode core of a multimode fiber cores the amplitude figure and the phase figure of the pilot field remain unchanged, apart from an overall phase shift.
  • each of the n pilot fields can be modulated beforehand using a wavefront modulator (SLM), before being injected at the proximal end of the second optical fiber.
  • SLM wavefront modulator
  • the wavefront modulator can comprise a segmented deformable mirror or a membrane mirror, for operation in reflection.
  • the wavefront modulator can comprise a matrix of liquid crystals, for operation in reflection or in transmission.
  • the method of the present invention comprises a step which consists of estimating the transmission matrix of the first optical fiber, in any conformation, from the measurement of the fields resulting from the injection of the n pilot fields .
  • the resulting field Ei, resulting from the injection of the pilot field El, pilot field can be measured using a camera, such as a CMOS or CCD sensor; the camera being placed at the level of the proximal end of the proximal section of the first optical fibre.
  • the proximal end of the proximal section of the first optical fiber can be coupled to a camera using an optical device such as a lens.
  • the measurement of a resulting field consists of measuring its phase and amplitude function.
  • the measurement, on the proximal side of the first optical fiber, of the field resulting from the injection of a pilot field can be performed according to different polarization modes.
  • the resulting fields are measured according to two orthogonal polarization states.
  • the measurement of the resulting fields according to different states of polarization makes it possible to improve the estimation of the transmission matrix.
  • the method of the present invention comprises a step of estimating the transmission matrix of the first optical fiber from the measurement of the resulting fields Ei, resulting. This estimation step is advantageously carried out in a very short time, close to a millisecond.
  • the first optical fiber can be used as an endoscope without a lens in order to produce the image of a sample. As soon as the first optical fiber changes conformation again, for example during the movement of the sample, the transmission matrix thereof is re-estimated.
  • Any optical fiber can be characterized by a transmission matrix which links an incoming field to an outgoing field.
  • a focal point injected at one end of an optical fiber can come out, at the opposite end of the fiber, translated, attenuated, or even scrambled; in the latter case, the resulting field then forms a speckle (better known under the English name of “speckle”).
  • Knowledge of the transmission matrix of the optical fiber in any conformation makes it possible to anticipate the distortions that the fiber will involve in its conformation to the light beam passing through it.
  • the transmission matrix of an optical fiber depends on the geometric conformation of the fiber. The same straight or curved optical fiber will not induce the same distortions to an incoming field and will therefore not have the same transmission matrix.
  • the transmission matrix of an optical fiber is measured using a camera comprising a CCD or CMOS sensor.
  • the following article gives an example of a method where one seeks to determine the transmission matrix of a multimode fiber (see “Time-dependence of the transmission matrix of a specialty few-mode fiber” APL Photonics 4, 022904 (2019 ); https://doi.Org/10.1063/1 .5047578, J. Yammine, A. Tandjè, Michel Dossou, L. Bigot, and E. R. Andresen).
  • the dimensions of the transmission matrix are then limited by the dimensions of the sensor of the camera.
  • the transmission matrix of the fiber is conventionally expressed in its localized mode basis.
  • a mathematical operation can make it possible to express the transmission matrix of the optical fiber in its base of eigenmodes.
  • the estimation of the transmission matrix in its base of the eigenmodes is carried out using a algorithm implementing a maximum likelihood method, the maximum likelihood method is preferably a least squares method.
  • the algorithm then makes it possible to give an estimate of the transmission matrix Hest of the fiber in any conformation.
  • the least squares method minimizes the function f defined according to the following equation [Math 1 ] by optimizing Hest:
  • E Pilots and E Resultants are matrices of dimensions [N x n] which respectively contain the n pilot fields Ei, pilots and the n resulting fields EL, N being the number of eigenmodes guided by the fiber
  • the algorithm is thus configured to give the best estimate Hest of the transmission matrix of the fiber in any conformation.
  • the method according to the invention may comprise a preliminary step of measuring the transmission matrix of the first optical fiber in a reference conformation in a localized mode base, according to a known transmission matrix measurement method. of a person skilled in the art, as presented above, then a step of changing the base of said transmission matrix in its base of the eigenmodes.
  • the transmission matrix of the first fiber is measured for example in the proximal-distal direction (or in the distal-proximal direction) all along the first fiber.
  • H0 proxi mai -distai be the transmission matrix of an optical fiber in a reference conformation, measured in the proximal-distal direction.
  • the HOdistai-proximai transmission matrix of the same fiber considered in the distal-proximal direction is obtained by transposing the first.
  • the procedure for estimating the transmission matrix of the first optical fiber along its entire length assumes that the pilot fields are injected at the distal end of the distal section of the first optical fiber.
  • the pilot fields can be injected using a second optical fiber, at the level of the distal end of the proximal section of the first fiber, that is to say at the level of the inter-fiber coupler placed 1 mm to 5cm and preferably 2cm upstream of the distal end of the distal section of the first optical fiber.
  • the pilot fields are not injected at the distal end of the distal section of the first optical fiber and the transmission matrix of the first optical fiber (proximal section and distal section) may be somewhat distorted.
  • the present invention can overcome this problem by considering the virtual image of the pilot fields injected at the distal end of the proximal section of the first fiber as if they were injected at the distal end of the section. distal to the first fiber.
  • E P iiotes,distai H0 proxi mai -distai .
  • Eresuitants, proximal where E pilots, distai corresponds to the field of I virtual image of the pilot fields considered at the distal end of the distal section of the first optical fiber
  • HOproximai-distai is the transmission matrix of the first optical fiber in a conformation reference, measured according to a method known to those skilled in the art
  • Eresuitants, proximal are the fields resulting from the injection of the pilot fields by the second optical fiber through the interfiber coupler, measured at the level of the end proximal to the proximal section of the first fiber.
  • This preliminary step of measuring the transmission matrix of the first optical fiber considered over its entire length (proximal section and distal section) therefore makes it possible to compensate for the fact that the pilot fields can be injected not directly at the end distal of the distal section of the first optical fiber but at the distal end of the proximal section of the first fiber, i.e. between 1 mm and 5 cm and preferably 2 cm upstream from the distal end of the distal section of the first optical fiber .
  • the estimation of the transmission matrix of the first optical fiber obtained according to the method of the present invention will then be all the more precise.
  • the pilot fields considered in the maximum likelihood algorithm for estimating the transmission matrix of the first optical fiber are the virtual images of the pilot fields injected via the second optical fiber.
  • the first optical fiber As the transmission matrix of the first optical fiber in a reference conformation is determined, it is possible to save it, so that a prior calibration is not necessary for each implementation of the method of imaging of the present invention. This is why the first optical fiber which is the subject of the present invention can be characterized by its transmission matrix obtained in a reference conformation and expressed in its base of the eigenmodes.
  • the present invention relates to a first multimode optical fiber, the transmission matrix in a reference conformation of said fiber being known, the fiber comprising a proximal section having a proximal end and a distal end; and a distal section having a proximal end and a distal end, the fiber having an interfiber coupler placed at least 5 cm upstream from its distal end, the interfiber coupler being configured to receive the end of a second optical fiber, such a multi-core fiber.
  • the first optical fiber is preferably a multimode optical fiber (MMF).
  • MMF multimode optical fiber
  • the first fiber is for example a step-index or gradient-index fiber.
  • the first optical fiber can be made of glass or plastic. Preferably it is made of glass.
  • Such a fiber makes it possible to manufacture easily and at low cost an endoscope comprising a minimal bulk on the distal side.
  • the function of the inter-fiber coupler is to transfer part of the light beam exiting from the distal end of the proximal section to the proximal end of the distal section.
  • the inter-fiber coupler is also intended to transfer part of the light beam coming from the proximal end of the distal section to the distal end of the proximal section.
  • the inter-fiber coupler is intended to transfer part of the light beam coming from the distal end of the second fiber to the distal end of the proximal section of the first fiber.
  • the inter-fiber coupler can be placed at a distance of between 1 mm and 5 cm, preferably 2 cm from the distal end of the distal section of the first fiber.
  • the distal section of the first fiber thus measuring 1 mm to 5 cm.
  • the coupling between the proximal section and the distal section of the first fiber is preferably greater than 50% so as to obtain good use of the light coming from the source and passing through the first optical fiber in the proximal-distal direction. on one side, and light reflected by, backscattered by or fluorescence emitted by the sample passing through the first optical fiber in the distal-proximal direction.
  • the coupling between the distal end of the second fiber and the distal end of the proximal section of the first fiber is preferably less than 50%.
  • the coupling between the cores of the second optical fiber is preferably less than -20 dB/m. So that the pilot fields propagate independently in it.
  • the person skilled in the art can use an existing device on the market or he can make an inter-fiber coupler himself according to known methods.
  • the person skilled in the art can use a commercially available multimode coupler.
  • the person skilled in the art can make the inter-fiber coupler using an assembly of miniaturized free-space optics using commercially available lenses and splitter blades or by making the optics and splitter blades themselves using using 3D printers.
  • those skilled in the art can couple the fibers together by bevelling their ends, polishing the beveled faces and then coupling the ends of two fibers together, the cut and polished fibers are then called "functionalized fibers".
  • the inter-fiber coupler can also be made by a combination of the methods mentioned above.
  • the first and the second optical fiber can also refer to cores or groups of cores of the same optical fiber.
  • the intra-fiber coupler should couple said cores in the same way as in the case of separate optical fibers as described above.
  • the first optical fiber can have a length of a few centimeters to several meters.
  • a long fiber has the advantage of leaving a lot of freedom of movement for the mouse in the illustrative case where the imaged sample is a mouse brain.
  • a long optical fiber easily changes conformation.
  • a short fiber deviates little from its reference conformation but limits the movements of the mouse in the illustrative case already mentioned.
  • the diameter of the fiber can be between 50 ⁇ m and 1 mm.
  • the present invention relates to a device for endomicroscopic imaging comprising:
  • a second optical fiber such as a multi-core fiber whose distal end is coupled using an inter-fiber coupler as mentioned above to the distal end of the proximal section of the first optical fiber and the second fiber allows the transport of n pilot fields to the level of the distal end of the proximal section of the first fiber;
  • a detection channel configured to measure the light signal reflected by the sample passing through the distal section and the proximal section of the first optical fiber.
  • the proximal end of the second optical fiber is coupled to a wavefront modulator so that the pilot fields, at the distal end of the second optical fiber, are known and can be modified. .
  • the detection channel can include at least one wavefront modulator, a lens and a camera.
  • the detection channel can also comprise a sensor making it possible to detect changes in conformation of the proximal section of the first optical fiber.
  • a sensor can be an accelerometer or a stopwatch.
  • the present invention relates to a method for endomicroscopic imaging of a sample, the method preferably being implemented using a device as described above, the method comprising the following steps:
  • the transmission matrix of a first optical fiber in the base of the eigenmodes of the optical fiber the fiber being preferably multimode
  • phase mask as a function of the estimated transmission matrix and applying it sequentially to a wavefront modulator, in order to form at the distal end of the first optical fiber an illumination beam with a function of known phase, for example a focal point,
  • Such an endoscopic imaging method makes it possible to perform imaging of a sample of microscopic size, limited by the diameter of the first optical fiber.
  • the method is also reliable and fast.
  • the invention relates to a computer program comprising instructions for implementing the method of the invention when this program is executed by a processor.
  • the invention relates to a non-transitory recording medium readable by a computer on which is recorded a program for the implementation of the method according to the invention when this program is executed by a processor.
  • FIG. 1A schematically illustrates a lensless endomicroscopic imaging system using an optical fiber guiding N eigenmodes according to the prior art
  • FIG. 1 B schematically illustrates the assembly for measuring the transmission matrix according to the state of the art
  • Fig. 1 C schematically illustrates the assembly for measuring the transmission matrix according to the state of the art
  • FIG. 1 C schematically illustrates the transmission matrix measurement method according to the state of the art
  • FIG. 1 D illustrates the impact of a change in the conformation of the optical fiber which results in a noisy image of the image acquired by endoscopic imaging without lens of the prior art
  • FIG. 2 illustrates a first multimode optical fiber in a reference conformation
  • FIG. 3A illustrates an inter-fiber coupler by assembling functionalized optical fibers
  • FIG. 3B illustrates another inter-fiber coupler by assembling functionalized optical fibers
  • FIG. 3C illustrates an inter-fiber coupler by assembling miniaturized free space optics
  • FIG. 3D illustrates a fiber multimode coupler
  • FIG. 4A illustrates an optical fiber transmission matrix in the localized mode basis and [Fig. 4B] illustrates the same transmission matrix, but expressed in the base of eigenmodes of the optical fiber;
  • FIG. 5 illustrates the scanning of a focused beam at the output (distal end of the distal section) of the first optical fiber in its reference conformation
  • FIG. 6 illustrates a first multimode optical fiber in any conformation, different from its reference conformation
  • FIG. 7 illustrates an attempt to scan the beam at the output of the first multimode fiber (distal end of the distal section) if the estimated transmission matrix corresponds to a conformation which differs from the actual conformation of the optical fiber;
  • FIG. 8 illustrates an example of pilot field injection
  • FIG. 9 illustrates the measurement of the fields resulting from the injection of pilot fields according to two orthogonal polarization states
  • FIG. 10 illustrates the comparison between an actual transmission matrix and an estimated transmission matrix according to the concept of the present invention
  • FIG. 12 is a diagram of an endoscopic imaging device of the present invention when the transmission matrix is measured in a reference conformation according to a prior art method
  • FIG. 13 is a diagram of an endoscopic imaging device according to the present invention where the transmission matrix Hest is estimated following the measurement of the fields resulting from the injection of the pilot fields;
  • FIG. 14 is a diagram of the device according to the invention for acquiring an endomicroscopic image by scanning a sample.
  • FIG. 2 is a diagram of a first optical fiber 10 in a reference conformation (REF) guiding N eigenmodes.
  • the first optical fiber is for example a multimode fiber such as a step-index or gradient-index fiber or a multi-core fiber.
  • the first fiber 10 includes a distal end and a proximal end. The distal end is intended to be placed closest to the sample to be imaged. The proximal end is intended to be connected to a detection path and to an optical device such as a wavefront modulator injecting a field with known properties.
  • FIGS 3A, 3B, 3C and 3D show examples of inter-fiber coupler 33 according to the present invention.
  • the first fiber 10 can comprise two separate sections 10D and 10P.
  • a proximal section 10P comprising a proximal end 10P-P and a distal end 10P-D in which the proximal end is intended to be connected to a detection channel and to an optical device such as a wavefront modulator injecting a field with known properties.
  • a 10D distal section comprising a proximal end 10D-P and a distal end 10D-D, in which the distal end 10D-D is intended to be placed closest to the sample to be imaged.
  • the distal end of the proximal section 10P-D and the proximal end of the distal section 10D-P are connected using an inter-fiber coupler 100.
  • FIGS. 3A and 3B illustrate two inter-fiber couplers 33 by functionalization of the fibers.
  • This inter-fiber coupler consists of bonding between them the distal end of a second fiber 20, the distal end of the proximal section of the first fiber 10P-D and the proximal end of the distal section of the first fiber 10D-P .
  • the inter-fiber coupler being placed at least 5 cm upstream from the distal end of the first 10D-D fiber.
  • the inter-fiber coupler makes it possible to couple the proximal section 10-P of the first fiber to a distal section 10D whose length can be adjusted.
  • the second fiber 20 is intended for the transport of pilot fields 200 towards the distal end of the first fiber 10D-D.
  • the first fiber forms a right angle with the second.
  • a surface in the first fiber makes it possible to redirect the pilot fields (by optical reflection) which come from the distal end of the second fiber 20 towards the proximal end of the first fiber 10P-P.
  • the two fibers are joined to each other, an air gap at the end of the second fiber then a surface 15 in the first fiber makes it possible to redirect the pilot fields 200.
  • the distal end of the proximal section 10P-D and the proximal end of the distal section 10D-P of the first fiber 10 are bevelled and polished so that these ends are said to be "functionalized”.
  • the inter-fiber coupler 33 of the embodiment illustrated in FIG. 3C comprises a yoke, printed for example using a 3D printer.
  • This yoke comprises a prism or a splitter blade 150 which makes it possible to distribute the light rays between the first 10 and the second optical fiber 20.
  • the inter-fiber coupler being placed at least 5 cm upstream from the distal end 10D of the first optical fiber 10.
  • the inter-fiber coupler 33 further comprises optics 250.
  • the optics 250 are intended to focus the light rays in the various optical fibers. Pilot Fields 200 injected using the second optical fiber 20 are redirected towards the proximal end of the first fiber 10 thanks to the splitter blade 150.
  • the rays coming from the proximal end of the first fiber 10 are not deflected by the splitter blade 150 and continue their trajectory towards the distal end of said first fiber 10. Similarly, rays coming from the distal end 10D of the first fiber 10 continue their trajectory towards the proximal end of the first fiber 10 without be deflected by the splitter blade 150.
  • FIG. 3D illustrates a multimode coupler 33 which makes it possible to connect the distal end of a second fiber 20, for example a multi-core fiber, to a first fiber 10, for example a multimode fiber, so that pilot fields injected at the level of the proximal end of the second fiber 20 are transported to the level of the level of the proximal end 10P-P of the first fiber. Then, the multimode connector allows fields injected at the level of the proximal end of the proximal section 10P-P of the first fiber 10 to come out at the level of the distal end of the distal section 10D-D of said fiber, in order to produce, for example, a focus at the level of the sample to be analyzed.
  • FIG. 4A An example of a transmission matrix expressed in the base of localized modes is given in FIG. 4A. Once the transmission matrix in the base of localized modes has been measured, it can be expressed in its base of eigenmodes via a base change operation. Such an operation can be carried out automatically using conventional calculation software and a computer.
  • FIG. 4B is an example of a transmission matrix expressed in the basis of the eigenmodes of the fiber.
  • the transmission matrix Ho of the fiber in a reference conformation can be obtained according to a method of the state of the art, as illustrated in FIG. 1 B.
  • the transmission matrix of the fiber links an incoming field and an outgoing field according to the following equation:
  • Outgoing Ho. number of proximal localized modes and Eoutant is a vector expressed in the base of distal localized modes containing a number of elements equal to the number of distal localized modes.
  • FIG. 5 illustrates the scanning of a focused beam performed at the output of the distal end of the first fiber.
  • the first fiber is no longer in a reference conformation but in any conformation.
  • the transmission matrix H of the optical fiber in a new conformation is different from the transmission matrix of the optical fiber in its reference conformation Ho. If an attempt is made to scan a focal point according to the principle of the endoscope without lens assuming that the transmission matrix H of the optical fiber in any conformation is Ho, it is no longer possible to scan a focus at the distal end of the optical fiber. Indeed, the intensity figure at the fiber output is then a speckle and no longer a focused field.
  • FIG. 7 illustrates the speckle obtained in the case where the optical fiber changes conformation but the transmission matrix is not recalculated. To obtain a focal point again, it is necessary to remeasure the transmission matrix of the fiber. Reference is now made to FIG. 8. To estimate the transmission matrix H of the fiber in any conformation, n pilot fields are injected at the distal end of the fiber according to the method of the present invention.
  • E Results H. E Drivers.
  • pilot fields are for example the following:
  • the pilot fields are injected into the first fiber at its distal end.
  • the resulting fields are measured at the proximal end of the first fiber using, for example, a camera.
  • the camera defaults to only detecting intensity (amplitude squared); to also measure the field (ie the phase and the amplitude) the camera is used with an interferometric method, for example the so-called off-axis holography method.
  • FIG. 9 illustrates the 5 resulting fields, measured according to two orthogonal polarization states. From the fifth measurement, ie the superposition of the 4 pilot fields, it is possible to extract the relative phases between the 4 pilot fields.
  • Figure 10 illustrates two fiber transmission arrays in one conformation.
  • the left transmission matrix was measured according to a conventional method known to those skilled in the art as discussed in the introduction to this description.
  • the transmission matrix on the right has been measured using a least squares algorithm which estimates the transmission matrix of the optical fiber from the measurement of fields resulting from the injection of 4 pilot fields according to the example.
  • Figure 10 clearly demonstrates that the present invention makes it possible to obtain, in a very short time, an excellent estimation of a transmission matrix of an optical fiber.
  • the transmission matrix was therefore estimated with only 5 measurements. If the fiber guided a greater number of modes, 5 measurements could however have been sufficient to estimate H.
  • the endoscopic imaging device comprises a first optical fiber, preferably multimode MMF comprising a proximal section and a distal section.
  • the first optical fiber MMF comprises an inter-fiber coupler which connects said fiber to a second fiber, preferably multi-core MCF.
  • the distal end of the distal section of the first fiber is free of any optics.
  • the distal end of the distal section of the first optical fiber can be placed as close as possible to a sample to be imaged.
  • the sample is the brain of a mouse, the mouse being alive and free to move.
  • the device according to the invention must be able to perform imaging of the mouse brain in real time.
  • the imaging device further comprises a CAM camera.
  • the camera can be coupled with an OBJ lens.
  • the camera and objective measure the resulting fields at the proximal end of the proximal section of the first MMF fiber following the injection of the pilot fields through the second MCF fiber.
  • the device also comprises a light source, not shown, being for example a laser.
  • the light source is advantageously connected to an SLM wavefront modulator.
  • the wavefront modulator can also be coupled to an OBJ lens making it possible to inject a controlled light signal at the level of the proximal end of the proximal section of the first optical fiber MMF.
  • a light distribution means is added after the wavefront modulator and the lens. This system is for example a mirror or a prism.
  • the light distributor makes it possible either to direct the light coming from the wavefront modulator towards the first MMF optical fiber or to direct the light beams reflected by the sample and passing through the first MMF optical fiber towards a detection channel.
  • the path for detecting the light backscattered by the sample and transmitted through the first MMF fiber from its distal end to its proximal end may comprise a CAMproximai detector and optionally an OBJ objective for focusing the backscattered light on a detection surface of the detector, as well as a unit for processing the signals coming from the detector.
  • Figure 12 is a diagram showing the configuration of the endoscopic imaging device which makes it possible to measure the transmission matrix of the first fiber in the proximal-distal direction: HOproximai-distai according to an embodiment of the method of the present invention where a preliminary step of measuring the transmission matrix of the first MMF optical fiber in a reference conformation (REF) in a localized mode base is carried out .
  • REF reference conformation
  • the distal section of the first MMF optical fiber is not yet connected to the sample.
  • the detection channel comprising a CAMdistai camera with an OBJ lens is placed at the distal end of the distal section of the first MMF fiber.
  • This detection channel specific to the preliminary step of measuring the transmission matrix of the first fiber in its entire length can be the same detection channel that measures the resulting fields Eresulting or any other detection channel.
  • the light source emits light beams which can be shaped using the SLM wavefront modulator. These light beams cross the first optical fiber in its entire length and are measured, at the level of the distal end of the distal section of the first fiber using the detection path, at the level of the CAMdistai camera.
  • Figure 13 illustrates the measurement of the Resultant E fields resulting from the injection of the Epiiote pilot fields according to the present invention. From now on, the distal end of the distal section of the first optical fiber can be placed at the level of the sample to be analyzed.
  • lateral pilot fields are injected via the second MCF optical fiber and the inter-fiber connection device 33 redirects these pilot fields to the first MMF fiber at the level of the distal end of the proximal section towards the proximal end of the proximal section of the first optical fiber.
  • the resulting fields Eresuitants, proximal to the proximal end of the proximal section of the first MMF optical fiber are measured using a detection.
  • This measurement can be carried out for two different states of polarization, preferably orthogonal.
  • the CAM camera can be coupled for example to quarter-wave and/or half-wave plates.
  • the procedure for estimating the transmission matrix assumes that the pilot fields are injected directly at the distal end of the first fiber MMF and not at the level of the distal end of the proximal section of the first fiber. that is to say at the level of the inter-fiber coupler placed from 1 mm to 5 cm upstream from the distal end of the distal section of the first fiber.
  • the method for estimating a matrix of conformation of the present invention makes it possible to estimate the transmission matrix Hest of the first optical fiber MMF in any conformation (RAND).
  • a least squares (or LMS for Least Mean Square) algorithm minimizes the function f defined according to the Math equation. 2 following by optimizing the estimated transmission matrix Hest:
  • E Pilots and E Results are matrices of dimensions [N xn] which respectively contain the n pilot fields and the n resultant fields.
  • the algorithm finds the result Hest, the best estimate of H.
  • the execution time of the algorithm is approximately 1 ms on a standard computer.
  • Knowing the transmission matrix of the first MMF fiber it is possible to calculate a phase mask with the SLM wavefront modulator in order to emit at the output of the first MMF optical fiber a controlled light beam, typically a focal point.
  • the sample can then be imaged, for example by scanning the focal point.
  • the resulting image is measured pixel by pixel using the detection channel comprising a CAMproximai camera with an OBJ lens.
  • the detection path of the different steps of the imaging method according to the present invention can be the same for each of the steps, in this case, a conventional optical system which makes it possible to distribute the different light beams coming from the different ends of the optical fibers ( MMF and MCF) is used. Otherwise, the different OBJ objectives specific to each of the detection channels may be different.
  • the estimation of the transmission matrix can also be performed according to a predetermined frequency. For example, the estimation of the transmission matrix can be performed once per second, twice per second, ten times per second, or at a lower frequency of once every minute. Or the estimation of the transmission matrix of the first fiber can be carried out when said optical fiber changes conformation, for example when a sensor such as an accelerometer which measures a displacement of the first fiber with respect to its reference conformation.

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Abstract

La présente invention concerne des dispositifs et méthodes de transport et de contrôle de faisceaux lumineux, notamment pour l'imagerie endo-microscopique dite « sans lentille ». La présente invention s'applique par exemple à l'exploration endoscopique, par exemple d'organes d'un être vivant alors même que celui-ci peut se déplacer librement pendant la mesure. Plus particulièrement, la présente invention permet une mesure « en direct » de la matrice de transmission de la fibre, alors même que la fibre peut subir des changements de conformation. La présente invention concerne également un dispositif de fibre adapté pour la mise en œuvre de la méthode.

Description

Description
Titre : Dispositif et méthode de transport et de contrôle en direct de faisceaux lumineux
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne des dispositifs et méthodes de transport et de contrôle de faisceaux lumineux, notamment pour l’imagerie endo-microscopique dite « sans lentille ». La présente invention s’applique par exemple à l’exploration endoscopique, par exemple d’organes d’un être vivant alors même que celui-ci peut se déplacer librement pendant la mesure.
[0002] Plus particulièrement, la présente invention permet une mesure « en direct » de la matrice de transmission de la fibre, alors même que la fibre peut subir des changements de conformation. La présente invention concerne également un dispositif de fibre adapté pour la mise en oeuvre de la méthode.
Technique antérieure
[0003] Les développements en imagerie endo-microscopique nécessitent l’utilisation de dispositifs optomécaniques fibrés présentant des spécificités par rapport aux systèmes imageurs en espace libre.
[0004] En effet, la construction d’un microscope miniature qui comprendrait une source lumineuse, une optique de focalisation et une caméra à l’extrémité distale (c'est-à-dire l’extrémité de la fibre destinée à la mesure du côté de l’échantillon) d’un endoscope médical n’est pas envisageable du fait de l’encombrement et de l’obstruction de l’ensemble des composants. On cherche de ce fait des solutions permettant la prise d’image d’un échantillon à l’aide d’une fibre optique tout en limitant l’encombrement et l’obstruction à l’extrémité distale de la fibre.
[0005] La technologie d’« endoscopie sans lentille » est connue pour limiter l’encombrement ainsi que l’obstruction de l’endoscope en son extrémité distale.
[0006] Une telle technologie a été décrite par exemple dans Cizmar et al. « Exploiting multimode waveguides for pure fibre-based imaging », Nat. Commun. 3, 1027 (2012). Cette technique est basée sur l’utilisation d’une fibre optique multimodes (ou MMF selon l’abréviation de l’expression anglaise « Multi-Mode Fiber »). La fibre optique multimodes est éclairée en son côté proximal (les termes « proximal » et « distal » sont définis comme suit : Le côté proximal est le côté le plus proche de la source et le plus éloigné de la zone à analyser et le côté distal est le côté le plus éloigné de la source et donc le plus proche de la zone à analyser) par une source cohérente de lumière. Un modulateur de front d’onde (également connu sous le terme de modulateur de phase spatiale) dont l’abréviation est SLM pour « Spatial Light Modulator », placé du côté proximal de la fibre, permet de façonner le champ provenant de la source et ainsi contrôler le champ injecté dans la fibre optique multimodes. En d’autres termes, le modulateur de front d’onde permet de contrôler avec quelle amplitude et quelle phase les modes de propagation de la fibre sont excités, de telle sorte que l’addition cohérente de ces modes permet de générer la figure d’intensité recherchée à l’extrémité distale de la fibre optique multimodes, typiquement un point focal (aussi appelé focus).
[0007] Par exemple, il est possible de produire un focus à l’extrémité distale de la fibre optique multimodes et de balayer l’échantillon avec ledit point focal. La zone de balayage de l’échantillon définit alors la zone de l’échantillon qui sera imagée en analysant la lumière réfléchie, la lumière rétrodiffusée, ou la fluorescence émise par cet échantillon.
[0008] Cette technique, extrêmement puissante du fait du caractère déterministe de la matrice de transmission de la fibre qui relie un champ entrant en partie proximale de la fibre avec un champ sortant en partie distale (et vice versa), permet de s’affranchir de toute optique du côté distal de la fibre optique multimodes et de ce fait réduit l’encombrement.
[0009] Cependant, la matrice de transmission de la fibre est fortement dépendante de la conformation géométrique de la fibre. L’imagerie endo-microscopique au moyen d’une fibre optique multimodes est donc extrêmement sensible aux mouvements de la fibre. Par ailleurs, du fait que la fibre optique utilisée est en générale une fibre multimodes, une impulsion courte proche de l’extrémité proximale est allongée en s’approchant de l’extrémité distale, ce qui limite les possibilités d’application à l’imagerie non linéaire qui nécessite de travailler avec des impulsions lumineuses courtes de forte intensité crête.
[0010] En parallèle des technologies basées sur l’utilisation de fibres multimodes, une technologie également de type « sans lentille » s’est développée avec l’utilisation d’un paquet de fibres optiques monomodes ou fibre multi-cœurs ou encore MCF selon l’abréviation anglo-saxonne « Multi-core fiber » (voir par exemple French et al. brevet US 8,585,587). Dans le brevet US 8,585,587, un modulateur de front d’onde (SLM) agencé du côté proximal du paquet de fibres optiques monomodes permet de contrôler à l’extrémité distale du paquet de fibres le front d’onde émis par une source lumineuse. Le caractère monomode des fibres élimine toute dispersion intermodale. La seule contribution à la dispersion, et donc à l’allongement d’une impulsion courte, est la dispersion chromatique qui est la même pour toutes les fibres optiques monomodes et qui peut donc être compensée de manière globale. De ce fait, l’utilisation d’un paquet de fibres optiques monomodes est préférée par rapport aux fibres multimodes pour la propagation d’impulsions courtes (cf. optique non linéaire).
[0011] D’autres publications ont décrit des variantes d’endoscope sans lentille basées sur l’utilisation d’un paquet de fibres optiques monomodes. Ces publications décrivent l’utilisation d’un paquet de fibres monomodes. Il a été montré comment il est possible d’accéder, en partie distale de fibre, à un balayage très rapide du point de focalisation, en appliquant au moyen d’un dispositif galvanométrique un angle variable du front d’onde en entrée du modulateur de front d’onde (voir par exemple E.R. Andresen et al. « Toward endoscopes with no distal optics: video-rate scanning microscopy through a fiber bundle », Opt. Lett. Vol. 38, N°5, 609-61 1 (2013)).
[0012] Dans E.R. Andresen et al. (« Two-photon lensless endoscope», Opt. Express 21 , N°18, 20713-20721 (2013)), les auteurs ont démontré la faisabilité expérimentale d’un système d’imagerie non linéaire bi-photonique (TPEF, « two- photon excited fluorescence ») en endo-microscopie sans lentille. Dans E.R. Andresen et al. (« Measurement and compensation of residual group delay in a multi-core fiber for lensless endoscopy”, JOSA B, Vol. 32, No. 6, 1221 - 1228 (2015)), il est décrit un dispositif de contrôle des retards de vitesse de groupe (ou « GDC » pour « Group Delay Control ») pour le transport et le contrôle d’impulsions lumineuses dans un système d’imagerie endo-microscopique sans lentille basé sur l’utilisation d’un paquet de fibres optiques monomodes.
[0013] La figure 1 A illustre de façon schématique un système d’imagerie endo- microscopique sans lentille 100 utilisant une fibre optique multimode MMF guidant N modes propres de l’état de la technique. Le système d’imagerie comprend généralement une voie d’émission avec une source d’émission 10 pour l’émission d’un faisceau lumineux incident, continu ou formé d’impulsions dans le cas de l’application à l’imagerie non linéaire. Le système d’imagerie 100 comprend par ailleurs une voie de détection comprenant un objectif OBJ et une caméra. Le chemin optique de la voie de détection est séparé du chemin optique de la voie d’émission par une lame séparatrice 22. Le système d’imagerie 100 comprend également un dispositif de transport et de contrôle des faisceaux lumineux qui comprend une fibre optique multimode MMF, et qui permet d’éclairer un objet à analyser 101 éloigné, et un modulateur de front d’onde SLM qui est agencé à l’extrémité proximale de la fibre optique multimodes MMF et qui permet de contrôler le front d’onde (ou le champ électromagnétique qui peut être appelé simplement « champ », caractérisé par une amplitude et une phase) du faisceau émis par la source 10. Le modulateur de front d’onde SLM permet d’ajuster la fonction de phase et la fonction d’amplitude du front d’onde du faisceau incident, et ainsi de contrôler la fonction de phase et la fonction d’amplitude du front d’onde du faisceau sortant de la fibre optique multimode MMF.
[0014] La figure 1 B illustre de manière schématique un montage de l’état de la technique qui permet de mesurer la matrice de transmission d’une fibre.
[0015] Le montage de la figure 1 B est en réalité une simple modification du montage d’imagerie endo-microscopique sans lentille de la figure 1 A. Des éléments (une caméra CAM, un objectif OBJ) ayant été ajoutés côté distal augmentent l’encombrement du dispositif. En contrôlant des champs injectés à l’extrémité proximale de la fibre MMF et en mesurant les champs résultants à l’extrémité distale de la fibre MMF il est possible de calculer la matrice de transmission de la fibre. En enlevant l’objectif (OBJ) et la caméra (CAM distal), on peut effectuer l’imagerie d’un échantillon placé au niveau de l’extrémité distale de la fibre selon une méthode connue de l’homme du métier. Toutefois, dès lors que la fibre MMF change de conformation, il faut à nouveau réaliser la mesure, c’est-à-dire replacer au niveau de l’extrémité distale de la fibre MMF l’objectif et la caméra et effectuer à nouveau le calcul de la matrice de transmission de la fibre MMF.
[0016] La figure 1 C illustre de manière schématique l’injection de points focaux dans une fibre et la mesure du champ en résultant afin de calculer la matrice de transmission dans la base des modes localisés de la fibre dans une conformation quelconque. Une base de modes localisés proximaux étant générée à l’aide d’un modulateur de front d’onde SLM.
[0017] Pour chaque mode localisé proximal, l’opération suivante est réalisée : un mode localisé proximal est injecté à l’extrémité proximale de la fibre MMF (c’est-à- dire qu’un faisceau lumineux est injecté à l’extrémité proximale de la fibre de manière à obtenir un point focal à cet endroit) et la caméra CAM mesure le champ résultant au niveau de l’extrémité distale de la fibre MMF. La matrice de transmission, dans la base des modes localisés, peut ainsi être calculée à partir de la mesure des champs résultant de l’injection des modes localisés proximaux.
[0018] Les « modes localisés » ont des figures d’amplitude qui sont spatialement délimités les unes des autres, i.e. les modes localisés ne se recouvrent pas ou peu entre eux. Les « modes localisés distaux » peuvent souvent être identifiés comme des pixels ou groupement de pixels mesurés par la caméra CAM. Les « modes localisés proximaux » peuvent souvent être identifiés comme des pixels ou groupements de pixels générés par le modulateur de front d’onde SLM.
[0019] La méthode de mesure de la matrice de transmission de l’état de la technique nécessite que la fibre reste dans la même conformation pendant la mesure de la matrice de transmission (figures 1 B et 1 C) et pendant l’acquisition des images provenant de l’objet à analyser (figure 1 A).
[0020] Pour mesurer la matrice de transmission dans la base des modes localisés de la fibre, le nombre de modes localisés proximaux et le nombre de modes localisés distaux doivent tous deux être supérieurs au nombre de modes propres guidés par la fibre. Le nombre de modes localisés proximaux ne doit pas forcément être égal au nombre de modes localisés distaux. Cette méthode de mesure est longue et très sensible à la conformation de la fibre. Il est indispensable, pour que la mesure soit fiable, que la fibre ne change pas de conformation pendant toute la durée de la mesure.
[0021] La figure 1 D illustre l’impact d’un changement de conformation d’une conformation connue REF à une conformation inconnue RAND de la fibre. Ce changement de conformation conduit à une image brouillée de l’image acquise par imagerie endoscopique sans lentille. En effet, lorsque la fibre de l’endoscope est une fibre optique multimode MMF, l’image résultante est floue. Et lorsque la fibre de l’endoscope est une fibre multi-cœurs MCF, l’image résultante est translatée. [0022] Ce brouillage apparaît car le changement de conformation de la fibre perturbe les modes propres de ladite fibre. La matrice de transmission de la fibre est alors modifiée.
[0023] Le brouillage de l’image dû au changement de conformation de la fibre est particulièrement gênant lors d’une observation in vivo, par exemple d’un organe. Il en résulte en effet un brouillage de l’image captée à chaque fois que la conformation de la fibre dévie de la conformation dans laquelle la matrice de transmission a été mesurée.
[0024] L’imagerie in vivo d’un être vivant, libre de ses mouvements, est alors impossible avec la méthode de mesure de l’état de la technique. Une méthode de mesure de matrices de transmission de fibre plus rapide et facile à mettre en place, laissant une liberté de mouvement de l’objet à analyser, serait donc un atout considérable.
Problème technique
[0025] La présente invention améliore la situation en proposant des dispositifs et méthodes de transport et de contrôle de faisceaux lumineux, notamment pour systèmes d’imagerie endomicroscopiques dits « sans lentille », qui permettent de mesurer en temps réel la matrice de transmission de la fibre dans une conformation quelconque. Notamment, la méthode d’imagerie de la présente invention permet de calculer en temps réel la matrice de transmission d’une fibre dans une conformation quelconque juste avant de régler un modulateur de front d’onde en temps réel lors de l’acquisition d’une image ou d’un lot d’images d’un objet à analyser, de sorte que l’imagerie de l’objet à analyser, même en mouvement, soit possible. L’image mesurée est toujours nette quelle que soit la conformation de la fibre.
[0026] La présente invention trouve notamment son intérêt en biologie où il est parfois nécessaire d’obtenir en temps réel des images, par exemple du cerveau d’une souris, alors même que l’échantillon imagé est en mouvement et, avec lui, l’endoscope.
Exposé de l’invention
[0027] Ainsi, selon un premier aspect, l’invention propose une méthode de mesure d’une matrice de transmission d’une première fibre optique, telle une fibre multimodes, la fibre optique étant dans une conformation quelconque et guidant N modes propres, la fibre comprenant un tronçon proximal comprenant une extrémité proximale et une extrémité distale et un tronçon distal comprenant une extrémité proximale et une extrémité distale, où l’extrémité distale du tronçon proximal est connectée à l’extrémité proximale du tronçon distal à l’aide d’un coupleur inter-fibre, la méthode comprenant les étapes suivantes :
- injecter séparément n champs pilotes au niveau de l’extrémité distale du tronçon proximal de la fibre,
- mesurer à l’extrémité proximale du tronçon proximal de la première fibre optique le champ résultant pour chacun des n champs pilotes injectés,
- estimer Hest, une matrice de transmission exprimée dans la base des N modes propres de la fibre optique à partir de la mesure des champs résultants des n champs pilotes injectés.
[0028] Une telle méthode permet d’estimer la matrice de transmission d’une fibre optique dans une conformation quelconque. La matrice de transmission est en outre obtenue dans un temps très court, proche de la milliseconde. Le temps de mesure très court de la matrice de transmission a pour conséquence directe de pouvoir imager un échantillon en temps réel à l’aide d’un endoscope sans lentille car il est possible de déterminer la matrice de transmission avant chaque mesure de l’échantillon ; les mesures nécessaires à la détermination de la matrice de transmission et à l’analyse de l’échantillon étant réalisées dans des conformations de la fibre extrêmement proches voire identiques.
[0029] Par ailleurs, contrairement à l’état de la technique, où l’injection d’un grand nombre de champs connus est réalisée à l’extrémité proximale de la fibre et les champs résultants mesurés à l’extrémité distale, la présente invention implique l’injection de quelque champs pilotes à l’extrémité distale et la mesure des champs résultants à l’extrémité proximale. Or les moyens proposés par la présente invention pour injecter des champs pilotes à l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre optique sont moins volumineux que les moyens pour mesurer les champs résultants à l’extrémité distale d’une fibre optique selon une méthode classique de mesure, ce qui permet d’avoir les moyens de mesure de la matrice de transmission et de l’échantillon dans un même endomicroscope.
[0030] L’injection des champs pilotes [0031] Au sens de la présente invention, on entend par champs pilotes des champs qui ont des propriétés connues et qui permettent, à partir de mesures des champs résultants en partie distale (si injectés en partie proximale), ou des champs résultants en partie proximale (si injectés en partie distale), de calculer la matrice de transmission H de la première fibre optique dans une conformation quelconque. Au niveau de l’extrémité distale du tronçon proximal de la fibre, n champs pilotes sont injectés, n étant un entier positif. Chaque champ pilotes peut être exprimé à l’aide d’un vecteur colonne Ei .champ pilote de dimension [Nx1], i étant un entier positif compris entre 1 et n ;et N étant un entier positif correspondant au nombre de modes propres de la première fibre. Un champ pilote est par exemple un point focal, injecté dans la première fibre.
[0032] Au sens de la présente invention, l’expression « point focal injecté à un endroit » ou de façon équivalente « mode localisé injecté à un endroit » signifie qu’un faisceau lumineux (i.e. un champ électromagnétique) est injecté à cet endroit et de manière à y avoir un point focal.
[0033] L’estimation de la matrice de transmission de la présente invention comprend une étape qui consiste à injecter, au niveau de l’extrémité distale du tronçon proximal d’une première fibre optique, n champs pilotes.
[0034] Chacun des n champs pilotes est injecté seul dans la fibre. Une fois le champ résultant de l’injection d’un champ pilote mesuré, un autre champ pilote est injecté, et ainsi de suite, n champs résultants sont donc mesurés successivement.
[0035] L’étape d’injection des n champs pilotes peut comprendre en outre une injection simultanée des n champs pilotes de sorte que la phase relative entre les n champs pilotes soit mesurable. n+1 champs résultants sont alors mesurés dans ce cas.
[0036] Les champs pilotes peuvent être choisis cohérents (provenant du même laser) entre eux. Ceci permet d’améliorer la fiabilité de l’estimation de la matrice de transmission.
[0037] De préférence, chaque mode propre de la première fibre doit avoir un recouvrement spatial non-nul avec au moins un champ pilote.
[0038] Le nombre n de champs pilotes peut être choisi supérieur ou égal au plus grand nombre de modes propres de la fibre multimodes dégénérés entre eux. Le nombre de modes propres dégénérés entre eux ayant été préalablement mesuré ou étant connu.
[0039] Plus le nombre de champs pilotes injectés est grand, meilleure est l’estimation de la matrice de transmission. Toutefois, l’injection d’un trop grand nombre de champs pilotes et la mesure des différents champs résultants présente le risque de nécessiter un temps plus long que la milliseconde pour la mise en oeuvre de l’invention. A l’inverse, l’injection d’un nombre faible de champs pilotes, mais suffisant pour que l’estimation de la matrice de transmission de la première fibre soit possible, donnera une estimation plus approximative de la matrice de transmission mais avec l’avantage de nécessiter un temps de calcul plus court, et notamment proche de la milliseconde. L’utilisateur est donc libre de choisir un compromis entre un temps court de mesure et une meilleure estimation de la matrice de transmission.
[0040] De préférence, le nombre n de champs pilotes est choisi égal au plus grand nombre de modes propres dégénérés entre eux de la matrice de transmission de la première fibre.
[0041] Un champ pilote est généré à l’aide d’une source de lumière. La source de lumière peut être couplée à un dispositif optique tel un objectif. La source de lumière est par exemple un laser. La source de lumière peut être avantageusement couplée à un objectif et à un modulateur de front d’onde SLM.
[0042] Selon un exemple de réalisation, les champs pilotes peuvent être injectés à l’aide d’une seconde fibre optique, telle une fibre optique multi-coeurs, dont l’extrémité distale est connectée à l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre par exemple entre 1 mm et 5 cm, de préférence 2cm en amont de l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique.
[0043] Selon cet exemple, les champs pilotes peuvent être les modes propres de la seconde fibre optique.
[0044] Selon cet exemple de réalisation de la présente invention, les champs pilotes sont injectés à l’extrémité proximale de la seconde fibre optique, traversent la seconde fibre optique, ressortent à l’extrémité distale de la seconde fibre optique puis sont alors injectés au niveau de l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre optique. Les champs pilotes traversent alors le tronçon proximal de la première fibre optique et ressortent enfin à l’extrémité proximale de la première fibre optique (qui est l’extrémité proximale du tronçon proximal) où les champs résultants peuvent être mesurés afin de mesurer la matrice de transmission de la première fibre dans toute sa longueur (tronçon proximal et tronçon distal). La connexion entre la première fibre et la seconde fibre sera expliquée plus en détail ci-après.
[0045] Les champs pilotes étant injectés au niveau de l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre et non à l’extrémité distal du tronçon distal de la première fibre comme dans les méthodes de l’art antérieur, la méthode de la présente invention peut être mise en oeuvre sans nécessité d’optique contraignante placée au niveau de l’extrémité distale de la première fibre optique (qui est l’extrémité distale du tronçon distal). L’extrémité distale de la première fibre optique étant exempte de toute optique, il est possible d’approcher facilement l’extrémité distale de la première fibre d’un échantillon biologique de petite taille. Par exemple, l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre peut être insérée dans la tête d’une souris vivante afin d’y imager une zone de son cerveau.
[0046] La seconde fibre optique est de préférence une fibre multi-cœurs aux coeurs monomodes. La fibre optique multi-cœurs peut comprendre au moins autant de cœurs que de champs pilotes, chaque champ pilote étant transporté dans un cœur dédié de la fibre optique multi-cœurs avant d’être injecté au niveau de l’extrémité distal de la première fibre.
[0047] Par fibre optique monomode, on comprend une fibre dans laquelle la lumière ne peut se propager que dans un seul mode du champ électromagnétique ; par extension on comprend aussi une fibre optique dite « monomode effective » qui comprend plusieurs modes mais dans laquelle les conditions de couplage n'excitent qu'un seul mode (généralement le mode fondamental) qui confine la lumière durant toute la propagation (pas de fuite vers les autres modes).
[0048] Dans l'ensemble de la description, on pourra utiliser le terme « fibre optique monomode » pour évoquer aussi bien une fibre optique monomode individuelle qu'un cœur monomode d'une fibre optique multi-cœurs.
[0049] Le transport d’un champ pilote dans un cœur dédié de la fibre optique multi- cœurs permet de limiter les distorsions optiques subies par le champ pilote au fil de la fibre. En effet, si la seconde fibre est une fibre multimode, le champ pilote peut subir différentes distorsions, tandis que dans un cœur monomode d’une fibre multi- cœurs la figure d’amplitude et la figure de phase du champ pilote restent inchangés, mis à part un déphasage global.
[0050] Selon un ou plusieurs aspects de la présente invention, chacun des n champs pilotes peut être préalablement modulé à l’aide d’un modulateur de front d’onde (SLM), avant d’être injecté à l’extrémité proximale de la seconde fibre optique.
[0051 ] Une telle modulation des champs pilotes permet de compenser la distorsion optique, aussi minime soit-elle, subie par les champs pilotes au sein de la seconde fibre.
[0052] Le modulateur de front d’onde peut comprendre un miroir déformable segmenté ou un miroir à membrane, pour un fonctionnement en réflexion. Le modulateur de front d’onde peut comprendre une matrice de cristaux liquides, pour un fonctionnement en réflexion ou en transmission.
[0053] La mesure des champs résultants
[0054] La méthode de la présente invention comprend une étape qui consiste en l’estimation de la matrice de transmission de la première fibre optique, dans une conformation quelconque, à partir de la mesure des champs résultants de l’injection des n champs pilotes.
[0055] Le champ résultant Ei, résultant de l’injection du champ pilote El, champ pilote peut être mesuré à l’aide d’une caméra, tel un capteur CMOS ou CCD ; la caméra étant placée au niveau de l’extrémité proximale du tronçon proximal de la première fibre optique. L’extrémité proximale du tronçon proximal de la première fibre optique peut être couplée à une caméra à l’aide d’un dispositif optique tel un objectif.
[0056] La mesure d’un champ résultant consiste en la mesure de sa fonction de phase et d’amplitude.
[0057] La mesure, côté proximal de la première fibre optique, du champ résultant de l’injection d’un champ pilote (au niveau de l’extrémité distale du tronçon distal ou de l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre optique) peut être effectuée selon différents modes de polarisation. De préférence, les champs résultants sont mesurés selon deux états de polarisation orthogonaux.
[0058] La mesure des champs résultants selon différents états de polarisation permet d’améliorer l’estimation de la matrice de transmission.
[0059] L’estimation de la matrice de transmission [0060] La méthode de la présente invention comprend une étape d’estimation de la matrice de transmission de la première fibre optique à partir de la mesure des champs résultants Ei, résultants. Cette étape d’estimation est avantageusement réalisée dans un temps très court, proche de la milliseconde. Ainsi, une fois la matrice de transmission de la première fibre optique estimée, la première fibre optique peut être utilisée comme endoscope sans lentille afin de réaliser l’image d’un échantillon. Dès lors que la première fibre optique change à nouveau de conformation, par exemple lors du mouvement de l’échantillon, la matrice de transmission de celle-ci est ré-estimée.
[0061] Toute fibre optique peut être caractérisée par une matrice de transmission qui lie un champ entrant à un champ sortant. A titre illustratif, un point focal injecté à une extrémité d’une fibre optique peut sortir, à l’extrémité opposée de la fibre, translaté, atténué, ou même brouillé ; dans ce dernier cas, le champ résultant forme alors une tavelure (plus connue sous le nom anglais de « speckle »). La connaissance de la matrice de transmission de la fibre optique dans une conformation quelconque permet d’anticiper les distorsions qu’impliquera la fibre dans sa conformation au faisceau lumineux qui la traversant. Toutefois, la matrice de transmission d’une fibre optique dépend de la conformation géométrique de la fibre. Une même fibre optique droite ou courbée n’induira pas les mêmes distorsions à un champ entrant et n’aura donc pas la même matrice de transmission.
[0062] En pratique, la matrice de transmission d’une fibre optique est mesurée à l’aide d’une caméra comprenant un capteur CCD ou CMOS. L’article suivant donne un exemple de méthode où l’on cherche à déterminer la matrice de transmission d’une fibre multimode (voir « Time-dependence of the transmission matrix of a specialty few-mode fiber » APL Photonics 4, 022904 (2019); https://doi.Org/10.1063/1 .5047578, J. Yammine, A. Tandjè, Michel Dossou, L. Bigot, and E. R. Andresen). Les dimensions de la matrice de transmission sont alors limitées par les dimensions du capteur de la caméra. Lorsqu’elle est mesurée, la matrice de transmission de la fibre est classiquement exprimée dans sa base des modes localisées. Une opération mathématique peut permettre d’exprimer la matrice de transmission de la fibre optique dans sa base des modes propres.
[0063] Selon un ou plusieurs aspects de la présente invention, l’estimation de la matrice de transmission dans sa base des modes propres est réalisée à l’aide d’un algorithme mettant en oeuvre une méthode de maximum de vraisemblance, la méthode de maximum de vraisemblance est de préférence une méthode des moindres carrés. L’algorithme permet alors de donner une estimation de la matrice de transmission Hest de la fibre dans une conformation quelconque.
[0064] La méthode des moindres carrés minimise la fonction f définie selon l’équation [Math 1 ] suivante en optimisant Hest :
[0065] [Math. 1 ]
Figure imgf000014_0001
[0066] OÙ E Pilotes et E Résultants sont des matrices de dimensions [N x n] qui contiennent respectivement les n champs pilotes Ei, pilotes et les n champs résultants EL résultants, N étant le nombre de modes propres guidés par la fibre
[0067] L’algorithme est ainsi configuré pour donner la meilleure estimation Hest de la matrice de transmission de la fibre dans une conformation quelconque.
[0068] Un tel algorithme permet un calcul rapide et une approche satisfaisante de la matrice de transmission de la première fibre.
[0069] La méthode selon l’invention peut comprendre une étape préliminaire de mesure de la matrice de transmission de la première fibre optique dans une conformation de référence dans une base des modes localisées, d’après une méthode de mesure de matrice de transmission connue de l’homme du métier, telle que présentée ci-avant, puis une étape de changement de base de ladite matrice de transmission dans sa base des modes propres. Dans ce cas, la matrice de transmission de la première fibre est mesurée par exemple dans le sens proximal- distal (ou dans le sens distal-proximal) tout le long de la première fibre.
[0070] Soit H0 proxi mai -distai la matrice de transmission d’une fibre optique dans une conformation de référence, mesurée dans le sens proximal-distal. La matrice de transmission HOdistai-proximai de la même fibre considérée dans le sens distal-proximal s’obtient en transposant la première.
[0071 ] La procédure d’estimation de la matrice de transmission de la première fibre optique de tout son long suppose que les champs pilotes soient injectés au niveau de l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique. Or, les champs pilotes peuvent être injectés à l’aide d’une seconde fibre optique, au niveau de l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre, c’est-à-dire au niveau du coupleur inter-fibre placé de 1 mm à 5cm et de préférence 2cm en amont de l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique. Ce faisant, les champs pilotes ne sont pas injectés au niveau de l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique et la matrice de transmission de la première fibre optique (tronçon proximal et tronçon distal) peut être quelque peu faussé.
[0072] La présente invention peut s’affranchir de ce problème en considérant l’image virtuelle des champs pilotes injectés au niveau de l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre comme s’ils étaient injectés à l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre.
[0073] En effet, connaissant la matrice HOproximai-distai, il est possible de calculer l’image virtuelle des champs pilotes, d’après l’équation suivante : EPiiotes,distai = H0 proxi mai -distai . Eresuitants, proximal, où E pilotes, distai correspond au champ de I image virtuelle des champs pilotes considérés à l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique, HOproximai-distai est la matrice de transmission de la première fibre optique dans une conformation de référence, mesurée d’après une méthode connue de l’homme du métier, et Eresuitants, proximal est les champs résultants de l’injection des champs pilotes par la seconde fibre optique à travers le coupleur interfibre, mesuré au niveau de l’extrémité proximale du tronçon proximal de la première fibre.
[0074] Cette étape préliminaire de mesure de la matrice de transmission de la première fibre optique considérée dans toute sa longueur (tronçon proximal et tronçon distal) permet donc de compenser le fait que les champs pilotes puissent être injectés non pas directement à l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique mais à l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre, soit entre 1 mm et 5 cm et de préférence 2 cm en amont de l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique. L’estimation de la matrice de transmission de la première fibre optique obtenue d’après la méthode de la présente invention n’en sera alors que plus précise.
[0075] De préférence, les champs pilotes considérés dans l’algorithme de maximum de vraisemblance pour l’estimation de la matrice de transmission de la première fibre optique sont les images virtuelles des champs pilotes injectés via la seconde fibre optique.
[0076] La première fibre optique [0077] Comme la matrice de transmission de la première fibre optique dans une conformation de référence est déterminée, il est possible de l’enregistrer, si bien qu'une calibration préalable n'est pas nécessaire pour chaque mise en oeuvre du procédé d’imagerie de la présente invention. C’est pourquoi la première fibre optique objet de la présente invention peut être caractérisée par sa matrice de transmission obtenue dans une conformation de référence et exprimée dans sa base des modes propres.
[0078] Selon un autre aspect, la présente invention concerne une première fibre optique multimode, la matrice de transmission dans une conformation de référence de ladite fibre étant connue, la fibre comprenant un tronçon proximal ayant une extrémité proximale et une extrémité distale ; et un tronçon distal ayant une extrémité proximale et une extrémité distale, la fibre présentant un coupleur interfibre placé à au moins 5 cm en amont de son extrémité distale, le coupleur interfibre étant configuré pour recevoir l’extrémité d’une seconde fibre optique, telle une fibre multi-cœurs.
[0079] La première fibre optique est de préférence une fibre optique multimode (MMF). La première fibre est par exemple une fibre à saut d’indice ou à gradient d’indice. La première fibre optique peut être réalisée en verre ou en plastique. De préférence elle est réalisée en verre.
[0080] Une telle fibre permet de fabriquer facilement et à faible coût un endoscope comprenant un encombrement minimal côté distal.
[0081] Le coupleur inter-fibre a pour fonction de transférer une partie du faisceau lumineux sortant de l’extrémité distale du tronçon proximal vers l’extrémité proximal du tronçon distal. Le coupleur inter-fibre est également destiné à transférer une partie du faisceau lumineux provenant de l’extrémité proximal du tronçon distal vers l’extrémité distal du tronçon proximal. Enfin, le coupleur inter fibre est destiné à transférer une partie du faisceau lumineux provenant de l’extrémité distale de la deuxième fibre vers l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre.
[0082] Ainsi, il est plus facile pour l’utilisateur de manipuler la première fibre optique et de la placer à convenance près de l’échantillon, sans pour autant le gêner (cf. l’exemple du cerveau de souris). [0083] Le coupleur inter-fibre peut être placé à une distance comprise entre 1 mm et 5 cm, de préférence 2 cm de l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre. Le tronçon distal de la première fibre mesurant ainsi 1 mm à 5 cm.
[0084] Le couplage entre le tronçon proximal et le tronçon distal de la première fibre est de préférence supérieur à 50% de sorte à obtenir une bonne utilisation de la lumière provenant de la source et traversant la première fibre optique dans le sens proximal - distal d’un côté, et de la lumière réfléchie par, rétrodiffusée par ou de la fluorescence émise par l’échantillon traversant la première fibre optique dans le sens distal - proximal.
[0085] Le couplage entre l’extrémité distale de la seconde fibre et l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre est de préférence inférieur à 50 %. [0086] Le couplage entre les coeurs de la seconde fibre optique est de préférence inférieur à -20 dB/m. Afin que les champs pilotes propagent de manière indépendante dans celle-ci.
[0087] Pour réaliser le coupleur inter-fibre, l’homme du métier peut utiliser un dispositif existant dans le commerce ou il peut réaliser lui-même un coupleur interfibre selon des méthodes connues. Par exemple, l’homme du métier peut utiliser un coupleur multimodes commercialisé. Aussi, l’homme du métier peut réaliser le coupleur inter-fibre à l’aide d’un assemblage d’optiques espace libres miniaturisés utilisant des lentilles et lames séparatrices du commerce où en réalisant lui-même les optiques et lames séparatrices à l’aide d’imprimantes 3D. Enfin, l’homme du métier peut coupler les fibres entre elles en coupant leurs extrémités en biseau, en polissant les faces biseautées puis en couplant les extrémités de deux fibres entres elles, les fibres coupées et polies sont alors appelées « fibres fonctionnalisées.
[0088] Le coupleur inter-fibre peut également être fait par une combinaison des méthodes citées au-dessus. La première et la seconde fibre optiques peuvent également faire référence à des coeurs ou groupes de coeurs d’une même fibre optique. Auquel cas le coupleur intra-fibre devrait coupler lesdits coeurs de la même manière qu’au cas de fibres optiques séparées telles que décrit ci-dessus.
[0089] La première fibre optique peut avoir une longueur de quelques centimètres à plusieurs mètres. Une longue fibre a l’avantage de laisser beaucoup de liberté de déplacement à la souris dans le cas illustratif où l’échantillon imagé est un cerveau de souris. En revanche, une longue fibre optique change facilement de conformation. A l’inverse, une courte fibre dévie peu de sa conformation de référence mais limite les déplacements de la souris dans le cas illustratif déjà évoqué.
[0090] Le diamètre de la fibre peut être compris entre 50 pm et 1 mm.
[0091] Dispositif pour l’imagerie endoscopique
[0092] Selon un autre aspect, la présente invention concerne un dispositif pour l’imagerie endomicroscopique comprenant :
- une source de lumière pour l’émission de faisceaux lumineux,
- une première fibre optique telle que définie ci-avant pour le transport et le contrôle de faisceaux lumineux émis par la source de lumière, où le tronçon proximal de la première fibre est dans une conformation quelconque et libre de bouger,
- optionnellement une seconde fibre optique, telle une fibre multi-cœurs dont l’extrémité distale est couplée à l’aide d’un coupleur inter-fibre tel que mentionné ci-dessus à l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre optique et la seconde fibre permet le transport de n champs pilotes jusqu’au niveau de l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre ;
- une voie de détection configurée pour mesurer le signal lumineux réfléchi par l’échantillon passant à travers le tronçon distal et le tronçon proximal de la première fibre optique.
[0093] Optionnellement, l’extrémité proximale de la seconde fibre optique est couplée à un modulateur de front d’onde de sorte que les champs pilotes, au niveau de l’extrémité distale de la seconde fibre optique, soient connus et puissent être modifiés.
[0094] La voie de détection peut comprendre au moins un modulateur de front d’onde, un objectif et une caméra. La voie de détection peut également comprendre un capteur permettant de détecter les changements de conformation du tronçon proximal de la première fibre optique. Un tel capteur peut être un accéléromètre ou bien un chronomètre.
[0095] Selon encore un autre aspect, la présente invention porte sur une méthode d’imagerie endomicroscopique d’un échantillon, la méthode étant de préférence mise en oeuvre à l’aide d’un dispositif comme décrit ci-avant, la méthode comprenant les étapes suivantes :
- estimer, d’après la méthode de la présente invention, la matrice de transmission d’une première fibre optique dans la base des modes propres de la fibre optique, la fibre étant de préférence multimode,
- calculer un masque de phase en fonction de la matrice de transmission estimée et l’appliquer séquentiellement à un modulateur de front d’onde, afin de former à l’extrémité distale de la première fibre optique un faisceau d’illumination avec une fonction de phase connue, par exemple un point focal,
- mesurer le signal réfléchi du point focal par l’échantillon et reconstituer une image de l’échantillon,
- répéter l’étape d’estimation de la matrice de transmission dès qu’une durée prédéterminée est écoulée ou que la fibre change sensiblement de conformation, par exemple à partir des données d’un accéléromètre ou d’un chronomètre.
[0096] Une telle méthode d’imagerie endoscopique permet de réaliser de l’imagerie d’échantillon de taille microscopique, limitée par le diamètre de la première fibre optique. La méthode est en outre fiable et rapide.
[0097] Selon un dernier aspect, l’invention concerne un programme informatique comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé de l’invention lorsque ce programme est exécuté par un processeur.
[0098] Aussi, l’invention concerne un support d’enregistrement non transitoire lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme pour la mise en oeuvre du procédé selon l’invention lorsque ce programme est exécuté par un processeur.
Brève description des dessins
[0099] 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. 1A
[0100] [Fig. 1A] illustre de façon schématique un système d’imagerie endo- microscopique sans lentille utilisant une fibre optique guidant N modes propres d’après l’art antérieur ;
Fig. 1B
[0101] [Fig. 1 B] illustre de manière schématique le montage pour mesurer la matrice de transmission selon l’état de l’art ; Fig. 1C
[0102] [Fig. 1 C] illustre de manière schématique la méthode de mesure de matrice de transmission selon l’état de l’art ;
Fig. 1 D
[0103] [Fig. 1 D] illustre l’impact d’un changement de conformation de la fibre optique qui résulte en une image bruitée de l’image acquise par imagerie endoscopique sans lentille de l’art antérieur ;
Fig. 2
[0104] [Fig. 2] illustre une première fibre optique multimode dans une conformation de référence ;
Fig. 3A
[0105] [Fig. 3A] illustre un coupleur inter-fibre par assemblage de fibres optiques fonctionnalisées ;
Fig. 3B
[0106] [Fig. 3B] illustre un autre coupleur inter-fibre par assemblage de fibres optiques fonctionnalisées ;
Fig. 3C
[0107] [Fig. 3C] illustre un coupleur inter-fibre par assemblage d’optiques espace libre miniaturisé ;
Fig. 3D
[0108] [Fig. 3D] illustre un coupleur multimode de fibres ;
Fig. 4A et 4B
[0109] [Fig. 4A] illustre une matrice de transmission de la fibre optique dans la base de modes localisés et la [Fig. 4B] illustre la même matrice de transmission, mais exprimée dans la base de modes propres de la fibre optique ;
Fig. 5 [0110] [Fig. 5] illustre le balayage d’un faisceau focalise en sortie (extrémité distale du tronçon distal) de la première fibre optique dans sa conformation de référence ;
Fig. 6
[0111] [Fig. 6] illustre une première fibre optique multimode dans une conformation quelconque, différente de sa conformation de référence ;
Fig. 7
[0112] [Fig. 7] illustre une tentative de balayage de faisceau en sortie de la première fibre multimode (extrémité distale du tronçon distal) si la matrice de transmission estimée correspond à une conformation qui diffère de la conformation réelle de la fibre optique ;
Fig. 8
[0113] [Fig. 8] illustre un exemple d’injection de champs pilotes ;
Fig. 9
[0114] [Fig. 9] illustre la mesure des champs résultants de l’injection de champs pilotes suivant deux états de polarisations orthogonaux ;
Fig. 10
[0115] [Fig. 10] illustre la comparaison entre une matrice de transmission réelle est une matrice de transmission estimée selon le concept de la présente invention
Fig. 11
[0116] [Fig. 11 ] Balayage d’un focus en utilisant la matrice de transmission estimée H est ;
Fig. 12
[0117] [Fig. 12] est un schéma de dispositif d’imagerie endoscopique de la présente invention lorsque la matrice de transmission est mesurée dans une conformation de référence d’après une méthode de l’état de la technique ;
Fig. 13 [0118] [Fig. 13] est un schéma de dispositif d’imagerie endoscopique selon la présente invention où la matrice de transmission Hest est estimée suite à la mesure des champs résultants de l’injection des champs pilotes ;
Fig. 14
[0119] [Fig. 14] est un schéma du dispositif selon l’invention pour acquérir une image endomicroscopique par balayage d’un échantillon.
Description des modes de réalisation
[0120] 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. La référence OBJ est utilisée dans les figures pour définir un objectif (ou plus généralement un système optique), toutefois, deux objectifs dans une même figures n’ont pas nécessairement les mêmes caractéristiques et ne sont pas nécessairement identiques. Un homme du métier saura adapter chacun des objectifs en fonction de leur emplacement dans le chemin optique.
[0121 ] La première fibre et le coupleur inter-fibre
[0122] Il est fait référence à la figure 2. La figure 2 est un schéma d’une première fibre optique 10 dans une conformation de référence (REF) guidant N modes propres. La première fibre optique est par exemple une fibre multimode telle une fibre à saut d’indice ou à gradient d’indice ou une fibre multi-cœurs. La première fibre 10 comprend une extrémité distale et une extrémité proximale. L’extrémité distale est destinée à être placée au plus proche de l’échantillon à imager. L’extrémité proximale est quant à elle destinée à être reliée à une voie de détection et à un dispositif optique tel un modulateur de front d’onde injectant un champ aux propriétés connues.
[0123] Il est maintenant fait référence aux figures 3A, 3B, 3C et 3D qui présentent des exemples de coupleur inter-fibre 33 d’après la présente invention.
[0124] La première fibre 10 peut comprendre deux tronçons distincts 10D et 10P. Un tronçon proximal 10P comprenant une extrémité proximale 10P-P et une extrémité distale 10P-D dans lequel l’extrémité proximal est destinée à être reliée à une voie de détection et à un dispositif optique tel un modulateur de front d’onde injectant un champ aux propriétés connues. Un tronçon distal 10D comprenant une extrémité proximale 10D-P et une extrémité distale 10D-D, dans lequel l’extrémité distale 10D-D est destinée à être placée au plus proche de l’échantillon à imager. L’extrémité distale du tronçon proximal 10P-D et l’extrémité proximale du tronçon distal 10D-P sont reliés à l’aide d’un coupleur inter-fibre 100.
[0125] Coupleur inter-fibre fonctionnalisé
[0126] Les figures 3A et 3B illustrent deux coupleurs inter-fibres 33 par fonctionnalisation des fibres. Ce coupleur inter-fibre consiste à coller entre eux l’extrémité distale d’une seconde fibre 20, l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre 10P-D et l’extrémité proximal du tronçon distal de la première fibre 10D-P. Le coupleur inter-fibre étant placé à au moins 5 cm en amont de l’extrémité distale de la première fibre 10D-D. Le coupleur inter-fibre permet de coupler le tronçon proximal 10-P de la première fibre à un tronçon distal 10D dont la longueur peut être ajustée.
[0127] La seconde fibre 20 est destinée au transport de champs pilote 200 vers l’extrémité distale de la première fibre 10D-D. Dans la figure 3A, la première fibre forme un angle droit avec la seconde. Une surface dans la première fibre permet de rediriger les champs pilotes (par réflexion optique) qui viennent de l’extrémité distale de la seconde fibre 20 vers l’extrémité proximale de la première fibre 10P-P. Dans la figure 3B, les deux fibres sont accolées l’une à l’autre, un vide d’air au bout de la seconde fibre puis une surface 15 dans la première fibre permet de rediriger les champs pilotes 200.
[0128] L’extrémité distale du tronçon proximal 10P-D et l’extrémité proximale du tronçon distal 10D-P de la première fibre 10 sont coupées en biseau et sont polies de sorte que ces extrémités sont dites « fonctionnalisée ».
[0129] Coupleur inter-fibres par assemblage d’optique espace libre
[0130] A l’inverse d’optiques intégrées, le coupleur inter-fibre 33 du mode de réalisation illustré à la figure 3C comprend un carcan, imprimé par exemple à l’aide d’une imprimante 3D. Ce carcan comprend un prisme ou une lame séparatrice 150 qui permet de distribuer les rayons lumineux entre la première 10 et la seconde fibre optiques 20. Le coupleur inter-fibre étant placé au moins 5 cm en amont de l’extrémité distale 10D de la première fibre optique 10. Le coupleur inter-fibre 33 comprend en outre des optiques 250. Les optiques 250 sont destinées à focaliser les rayons lumineux dans les différentes fibres optiques. Les champs pilotes 200 injectés à l’aide de la seconde fibre optique 20 sont redirigés vers l’extrémité proximale de la première fibre 10 grâce à la lame séparatrice 150. Les rayons provenant de l’extrémité proximale de la première fibre 10 sont quant à eux non déviés par la lame séparatrice 150 et continuent leur trajectoire vers l’extrémité distale de ladite première fibre 10. De même, des rayons provenant de l’extrémité distale 10D de la première fibre 10 continuent leur trajectoire vers l’extrémité proximale de la première fibre 10 sans être déviés par la lame séparatrice 150.
[0131] Coupleur multimode
[0132] La figure 3D illustre un coupleur multimode 33 qui permet de connecter l’extrémité distale d’une seconde fibre 20, par exemple une fibre multi-cœurs, à une première fibre 10, par exemple une fibre multimode, de sorte que des champs pilotes injectés au niveau de l’extrémité proximal de la seconde fibre 20 soient transportés jusqu’au niveau de l’extrémité proximale 10P-P de la première fibre. Puis, le connecteur multimode permet que des champs injectés au niveau de l’extrémité proximal du tronçon proximal 10P-P de la première fibre 10 ressortent au niveau de l’extrémité distale du tronçon distale 10D-D de ladite fibre, afin de réaliser, par exemple, un focus au niveau de l’échantillon à analyser.
[0133] Estimation de la matrice de transmission de la première fibre optique
[0134] Considérons une première fibre multimode à saut d’indice, la première fibre guidant par exemple N=30 modes propres.
[0135] Un exemple de matrice de transmission exprimée dans la base des modes localisés est donné en figure 4A. Une fois la matrice de transmission dans la base des modes localisés mesurée, elle peut être exprimée dans sa base de modes propres via une opération de changement de base. Une telle opération peut être réalisée de façon automatique à l’aide d’un logiciel de calcul classique et d’un ordinateur. La figure 4B est un exemple de matrice de transmission exprimée dans la base des modes propres de la fibre.
[0136] La matrice de transmission Ho de la fibre dans une conformation de référence peut être obtenue selon une méthode de l’état de l’art, telle qu’illustrée en figure 1 B. La publication « Time-dependence of the transmission matrix of a specialty few-mode fiber », APL Photonics 4, 022904 (2019); J. Yammine, A. Tandjè, Michel Dossou, L. Bigot, and E. R. Andresen, donne une méthode connue de l’homme du métier pour mesurer la matrice de transmission de la fibre dans le sens proximal vers distal.
[0137] Une fois la matrice de transmission de la fibre connue, il est possible de procéder à de l’imagerie en balayant l’échantillon avec un faisceau de lumière focalisé selon le principe de l’endoscope sans lentille. Cette opération nécessite toutefois que la fibre ne change pas de conformation. En effet, la matrice de transmission de la fibre lie un champ entrant et un champ sortant selon l’équation suivante : Esortant = Ho. Eentrant OÙ Eentrant est un vecteur colonne dans la base de modes localisés proximal contenant un nombre d’éléments égal au nombre de modes localisés proximal et Esortant est un vecteur exprimé dans la base de modes localisés distal contenant un nombre d’éléments égal au nombre de modes localisés distal.
[0138] Connaissant la matrice de transmission Ho, il est donc possible de s’assurer que Esortant corresponde à un point focal Esortant = Etocai où Etocai est un vecteur nul sauf à l’indice i. Il suffit pour cela d’inverser la matrice de transmission et d’injecter, à l’aide d’un modulateur de front d’onde, le nouveau champ entrant suivant : Ho’ 1 . Efocal, i.
[0139] La figure 5 illustre le balayage d’un faisceau focalisé effectué en sortie de l’extrémité distale de la première fibre.
[0140] Il est maintenant fait référence à la figure 6. La première fibre n’est plus dans une conformation de référence mais dans une conformation quelconque.
[0141] La matrice de transmission H de la fibre optique dans une nouvelle conformation est différente de la matrice de transmission de la fibre optique dans sa conformation de référence Ho. Si on tente de faire un balayage d’un point focal selon le principe de l’endoscope sans lentille en supposant que la matrice de transmission H de la fibre optique dans une conformation quelconque soit Ho, on n’arrive plus à balayer un focus à l’extrémité distale de la fibre optique. En effet, la figure d’intensité en sortie de fibre est alors un « speckle » et non plus un champ focalisé.
[0142] La figure 7 illustre le speckle obtenu dans le cas où la fibre optique change de conformation mais que la matrice de transmission n’est pas recalculée. Pour obtenir à nouveau un point focal, il est nécessaire de remesurer la matrice de transmission de la fibre. [0143] Il est maintenant fait référence à la figure 8. Pour estimer la matrice de transmission H de la fibre dans une conformation quelconque, n champs pilotes sont injectés à l’extrémité distale de la fibre selon la méthode de la présente invention.
[0144] Sur la figure 4B, on peut voir que la matrice de transmission H exprimée dans sa base de modes propres est une matrice diagonale par blocs. Elle contient sur sa diagonale 22 + 42 + 42 + 22 + 42 + 42 + 42 + 42 + 22 = 108 inconnus.
[0145] Chaque champ pilote, exprimé dans la même base que H, représente N = 30 connus. Chaque champ pilote est en effet exprimé par un vecteur comprenant N = 30 éléments, où N = 30 est le nombre de modes propres guidés par la fibre. Ainsi, l’injection de n=4 champs pilotes représente nxN = 4x30 = 120 connus.
[0146] Les champs résultant de l’injection des champs pilotes (cf. fig. 9), mesurés sur la caméra puis exprimés dans la même base que H représentent eux aussi nxN=4x30=120 connus.
[0147] En théorie, le nombre de connus (120) étant supérieur au nombre d’inconnus (108), il est possible de résoudre le système d’équations linéaires qui lie les champs pilote aux champs résultant afin de calculer directement la matrice de transmission H d’après la relation suivante : E Résultants = H. E Pilotes. Où E Pilotes et E Résultants sont des matrices de dimensions [Nxn] = [30x4] qui contiennent respectivement les 4 champs pilotes et les 4 champs résultants.
[0148] En référence à la figure 8, les champs pilote sont par exemple les suivants :
- Pilotel : champs focalisé sur position 1 ;
- Pilote2 : champs focalisé sur position2 ;
- Pilote3 : champs focalisé sur positions ;
- Pilote4 : champs focalisé sur position4. Notons que les positionsl , 2, 3, 4 sont arbitraires dès lors qu’elles ne sont pas identiques.
[0149] D’après la méthode de la présente invention, les champs pilotes sont injectés dans la première fibre en son extrémité distale. Les champs résultants sont mesurés en l’extrémité proximale de la première fibre à l’aide par exemple d’une caméra. La caméra détecte par défaut seulement l’intensité (amplitude au carré) ; pour mesurer aussi le champ (i.e. la phase et l’amplitude) on utilise la caméra avec une méthode interférométrique, par exemple la méthode dite holographie hors-axe. [0150] La figure 9 illustre les 5 champs résultant, mesurés suivant deux états de polarisation orthogonaux. A partir de la cinquième mesure, soit la superposition des 4 champs pilote, il est possible d’extraire les phases relatives entre les 4 champs pilotes.
[0151] Pour estimer la matrice de transmission Hest de la fibre dans une conformation quelconque, un algorithme des moindres carrés est utilisé d’après la présente invention.
[0152] Il est maintenant fait référence à la figure 10. La figure 10 illustre deux matrices de transmission de fibre dans une même conformation. La matrice de transmission de gauche a été mesurée selon une méthode classique connue de l’homme du métier telle que discuté en l’introduction de la présente description. La matrice de transmission de droite a été mesurée en utilisant un algorithme des moindres carrés qui estime la matrice de transmission de la fibre optique d’après la mesure de champs résultant à l’injection de 4 chams pilotes d’après l’exemple. La figure 10 démontre bien que la présente invention permet d’obtenir dans un temps très court une excellente estimation d’une matrice de transmission d’une fibre optique.
[0153] La matrice de transmission a donc été estimée avec seulement 5 mesures. Si la fibre guidait un plus grand nombre de modes, 5 mesures auraient toutefois pu suffire pour estimer H.
[0154] En considérant une fibre multimode classique guidant 1000 modes, les méthodes de l’état de l’art devraient faire au minimum 1000 mesures (et souvent bien plus dans la pratique). La présente invention permet alors de diviser par un facteur 200 le nombre de mesures.
[0155] Méthode d’imagerie
[0156] Une fois la matrice de transmission de la première fibre estimée d’après la méthode de la présente invention, il est possible de calculer un masque de phase en fonction de la matrice de transmission Hest estimée et l’appliquer à un modulateur de front d’onde, afin de former à l’extrémité distale de la première fibre optique un faisceau d’illumination avec une fonction de phase connue, par exemple un point focal. La figure 1 1 illustre le balayage d’un focus en utilisant la matrice de transmission estimée de la fibre d’après la méthode de la présente invention. [0157] La méthode d’imagerie selon la présente invention va être décrite plus en détail. Les figures 12, 13 et 14 illustrent le même dispositif d’imagerie endoscopique de la présente invention qui permet de mettre en oeuvre la méthode de la présente invention.
[0158] Le dispositif
[0159] Le dispositif d’imagerie endoscopique comprend une première fibre optique, de préférence multimode MMF comprenant un tronçon proximal et un tronçon distal. La première fibre optique MMF comprend un coupleur inter-fibre qui relie ladite fibre à une seconde fibre, de préférence multi-cœurs MCF. L’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre est exempte de toute optique. Ainsi, l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique peut être placée au plus près d’un échantillon à imager. Par exemple, l’échantillon est le cerveau d’une souris, la souris étant vivante et libre de ses mouvements. Le dispositif selon l’invention doit pouvoir réaliser l’imagerie du cerveau de la souris en temps réel.
[0160] Le dispositif d’imagerie comprend en outre une caméra CAM. La caméra peut être couplée à un objectif OBJ. La caméra et l’objectif permettent de mesurer les champs résultants à l’extrémité proximale du tronçon proximal de la première fibre MMF à la suite de l’injection des champs pilotes à travers la seconde fibre MCF. [0161] Le dispositif comprend également une source de lumière, non représentée, étant par exemple un laser. La source de lumière est avantageusement reliée à un modulateur de front d’onde SLM. Le modulateur de front d’onde peut également être couplé à un objectif OBJ permettant d’injecter un signal lumineux contrôlé au niveau de l’extrémité proximal du tronçon proximal de la première fibre optique MMF. [0162] Un moyen de distribution de la lumière est ajouté à la suite du modulateur de front d’onde et de l’objectif. Ce système est par exemple un miroir ou un prisme. Le distributeur de lumière permet soit de diriger la lumière provenant du modulateur de front d’onde vers la première fibre optique MMF soit de diriger les faisceaux lumineux réfléchis par l’échantillon et traversant la première fibre optique MMF vers une voie de détection.
[0163] La voie de détection de la lumière rétrodiffusée par l’échantillon et transmise à travers la première fibre MMF de son extrémité distale à son extrémité proximale peut comprendre un détecteur CAMproximai et éventuellement un objectif OBJ pour focaliser la lumière rétrodiffusée sur une surface de détection du détecteur, ainsi qu'une unité de traitement des signaux issus du détecteur.
[0164] Etape préliminaire - fig. 12
[0165] Il est dorénavant fait référence à la figure 12. La figure 12 est un schéma présentant la configuration du dispositif d’imagerie endoscopique qui permet de réaliser une mesure de la matrice de transmission de la première fibre dans le sens proximal-distal : HOproximai-distai d’après un mode de réalisation de la méthode de la présente invention où une étape préliminaire de mesure de la matrice de transmission de la première fibre optique MMF dans une conformation de référence (REF) dans une base des modes localisées est réalisée.
[0166] Dans cette configuration, le tronçon distal de la première fibre optique MMF n’est pas encore relié à l’échantillon. Dans cette configuration, la voie de détection comprenant une caméra CAMdistai avec un objectif OBJ est placée au niveau de l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre MMF. Cette voie de détection propre à l’étape préliminaire de mesure de la matrice de transmission de la première fibre dans toute sa longueur peut être la même voie de détection qui mesure les champs résultant Erésuitant ou une tout autre voie de détection.
[0167] La source de lumière émet des faisceaux lumineux qui peuvent être façonnés à l’aide du modulateur de front d’onde SLM. Ces faisceaux lumineux traversent la première fibre optique dans toute sa longueur et son mesurés, au niveau de l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre à l’aide de la voie de détection, au niveau de la caméra CAMdistai.
[0168] Injection des champs pilotes - Fig. 13
[0169] Il est maintenant fait référence à la figure 13. La figure 13 illustre la mesure des champs E Résultants résultant de l’injection des champs pilotes Epiiotes d’après la présente invention. Dorénavant, l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique peut être placé au niveau de l’échantillon à analyser.
[0170] n champs pilotes Epiiotes, latéral sont injectés via la seconde fibre optique MCF et le dispositif de connexion inter fibre 33 redirige ces champs pilotes vers la première fibre MMF au niveau de l’extrémité distale du tronçon proximal vers l’extrémité proximale du tronçon proximal de la première fibre optique.
[0171] Les champs résultants Erésuitants, proximal à l’extrémité proximale du tronçon proximal de la première fibre optique MMF sont mesurés à l’aide d’une voie de détection. Cette mesure peut être réalisée pour deux états de polarisation différents, de préférence orthogonaux. Dans ce cas, la caméra CAM peut être couplée par exemple à des lames quart d’onde et/ou demi onde.
[0172] La procédure d’estimation de la matrice de transmission suppose que les champs pilotes sont injectés directement à l’extrémité distale de la première fibre MMF et non au niveau de l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre, c’est-à-dire au niveau du coupleur inter-fibre placé de 1 mm à 5 cm en amont de l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre.
[0173] Comme déjà évoqué, il est possible de calculer l’image virtuelle Epiiotes, distai que les champs pilotes Epiiotes, lateral injectés au niveau du coupleur inter-fibre 33 auraient au niveau de l’extrémité distale de la première fibre optique. Pour cela, il est nécessaire de considérer la matrice de transmission Ho de la fibre optique dans une conformation de référence, calculée à l’étape préliminaire illustrée à la figure 12.
[0174] Epiiotes, distal =Ho . Erésultants, proximal
[0175] Désormais, nous savons qu’injecter les Epiiotes, lateral par le coté équivaut à injecter les Epiiotes, distal par l’extrémité distale. La procédure d’estimation de la matrice de transmission de la première fibre considérée dans toute sa longueur (tronçon proximal et tronçon distal) devient désormais possible, dès lors qu’on suppose que Ce SOnt les Epiiotes, distal qui SOnt injectés au lieu des Epiiotes, lateral.
[0176] Une fois les champs pilotes injectés dans la première fibre optique MMF et les champs résultants mesurés à l’extrémité proximal de la première fibre optique MMF à l’aide de la caméra CAM, la méthode d’estimation d’une matrice de conformation de la présente invention permet d’estimer la matrice de transmission Hest de la première fibre optique MMF dans une conformation quelconque (RAND). [0177] Un algorithme des moindre carré (ou LMS pour Least Mean Square ») minimise la fonction f définie selon l’équation Math. 2 suivante en optimisant la matrice de transmission estimée Hest :
[0178] [Math. 2]
Figure imgf000030_0001
[0179] OÙ E Pilotes et E Résultants sont des matrices de dimensions [N x n] qui contiennent respectivement les n champs pilotes et les n champs résultants. [0180] L’algorithme trouve le résultat Hest, la meilleure estimation de H. Le temps d’exécution de l’algorithme est d’environ 1 ms sur un ordinateur standard.
[0181] Imagerie de l’échantillon - Fig. 14
[0182] Il est désormais fait référence à la figure 14 où l’on suppose avoir préalablement mesuré la matrice de transmission Hest de la première fibre optique MMF dans une conformation quelconque (RAND) à l’aide de la méthode de la présente invention.
[0183] Connaissant la matrice de transmission de la première fibre MMF, il est possible de calculer un masque de phase avec le modulateur de front d’onde SLM afin d’émettre en sortie de la première fibre optique MMF un faisceau lumineux contrôlé, typiquement un point focal.
[0184] L’échantillon peut alors être imagé, par exemple par balayage du point focal. L’image résultante est mesurée pixel par pixel à l’aide de la voie de détection comprenant une caméra CAMproximai avec un objectif OBJ. La voie de détection des différentes étapes de la méthode d’imagerie selon la présente invention peut être la même pour chacune des étapes, dans ce cas, un système optique classique qui permet de distribuer les différents faisceaux lumineux provenant des différentes extrémités des fibres optiques (MMF et MCF) est utilisé. Sinon, les différents objectif OBJ propres à chacune des voies de détection peuvent être différents.
[0185] A chaque fois que la fibre change de conformation, l’injection des champs pilotes et l’estimation de la nouvelle matrice de transmission de la fibre est réalisée. L’estimation de la matrice de transmission peut aussi être réalisée selon une fréquence prédéterminée. Par exemple, l’estimation de la matrice de transmission peut être réalisée une fois par seconde, deux fois par second, dix fois par seconde, où selon une fréquence plus faible d’une fois toutes les minutes. Ou bien l’estimation de la matrice de transmission de la première fibre peut être réalisée dès lors que ladite fibre optique change de conformation, par exemple dès lors qu’un capteur tel un accéléromètre qui mesure un déplacement de la première fibre par rapport à sa conformation de référence.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Méthode de mesure d’une matrice de transmission d’une première fibre optique, telle une fibre optique multi-modes, la fibre étant dans une conformation quelconque et guidant N modes propres, la fibre optique comprenant un tronçon proximal comprenant une extrémité proximale et une extrémité distale et un tronçon distal comprenant une extrémité proximale et une extrémité distale, où l’extrémité distale du tronçon proximal est connectée à l’extrémité proximale du tronçon distal à l’aide d’un coupleur inter-fibre, la méthode comprenant les étapes suivantes:
- injecter séparément n champs pilotes au niveau de l’extrémité distale du tronçon proximal de la fibre optique,
- mesurer à l’extrémité proximale du tronçon proximal de la fibre optique le champ résultant pour chacun des n champs pilotes injectés,
- Estimer Hest, une matrice de transmission exprimée dans la base des N modes propres de la première fibre optique.
[Revendication 2] Méthode selon la revendication 1 , où les champs pilotes sont choisis cohérents entre eux.
[Revendication 3] Méthode selon la revendication 1 ou 2, où les champs pilotes sont injectés à travers une seconde fibre optique telle une fibre multi-cœurs connectée entre 1 mm et 5 cm en amont de l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique.
[Revendication 4] Méthode selon la revendication 3, où la seconde fibre optique est une fibre multi-cœurs comprenant au moins autant de cœur que de champs pilotes.
[Revendication 5] Méthode selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, où les champs pilotes sont les modes propres de la seconde fibre optique.
[Revendication 6] Méthode selon l’une quelconque des revendications 3 à 5 où les champs pilotes injectés au niveau de l’extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre optique sont les images virtuelles des champs pilotes injectés via la seconde fibre.
[Revendication 7] Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, où n est choisi supérieur ou égal au plus grand nombre de modes propres dégénérés entre eux de la première fibre optique.
[Revendication 8] Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, où l’estimation de la matrice de transmission dans la base des modes propres est réalisée d’après une méthode de maximum de vraisemblance, par exemple à l’aide d’un algorithme des moindres carrés.
[Revendication 9] Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape préliminaire de mesure de la matrice de transmission de la première fibre optique dans une conformation de référence dans une base des modes localisées, puis une étape de changement de base de la matrice de transmission dans une base de modes propres.
[Revendication 10] Méthode selon l’une quelconque des revendications précédentes où l’étape d’injection des n champs pilotes comprend en outre une injection simultanée des n champs pilote de sorte que la phase relative entre les n champs pilotes soit mesurable.
[Revendication 11] Fibre optique dont la matrice de transmission est déterminée par la méthode selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, la fibre optique comprenant un tronçon proximal comprenant une extrémité proximale et une extrémité distale et un tronçon distal comprenant une extrémité proximale et une extrémité distale, où l’extrémité distale du tronçon proximal est connectée à l’extrémité proximale du tronçon distal à l’aide d’un coupleur inter-fibre, et le moyen de couplage inter-fibre étant configuré pour recevoir une extrémité d’une seconde fibre optique, telle une fibre optique multi-coeurs.
[Revendication 12] Fibre optique selon la revendication 1 1 , où le coupleur interfibre est placé entre 1 mm et 5 cm de l’extrémité distale du tronçon distal de la première fibre, de préférence 2 cm.
[Revendication 13] Fibre optique selon l’une quelconques des revendications 1 1 à 12, où la matrice de transmission du tronçon proximal de la fibre optique est connue pour une conformation de référence.
[Revendication 14] Dispositif pour l’imagerie endo-microscopique comprenant :
- une source de lumière pour l’émission de faisceaux lumineux, - une première fibre optique selon l’une quelconque des revendications 1 1 à 13, pour le transport et le contrôle de faisceaux lumineux émis par la source de lumière, où le tronçon proximal de la première fibre optique est dans une conformation quelconque,
- une voie de détection destinée à la mesure du signal lumineux réfléchie par l’échantillon et passant à travers le tronçon distal et le tronçon proximal de la première fibre.
[Revendication 15] Méthode d’imagerie endo-microscopique, la méthode étant mise en oeuvre à l’aide d’un dispositif selon la revendication 14, la méthode comprenant les étapes suivantes :
- estimer la matrice de transmission de la première fibre optique dans la base des modes propres de la fibre, le tronçon proximal de la fibre étant dans une conformation quelconque,
- calculer un masque de phase en fonction de la matrice de transmission estimée,
- appliquer séquentiellement le masque de phase à un modulateur de front d’onde, afin d’obtenir un point focal à l’extrémité distale de la fibre,
- mesurer le signal réfléchi du point focal par l’objet et reconstituer une image de l’échantillon pixel par pixel
- répéter l’étape d’estimation de la matrice de transmission dès qu’une durée prédéterminée est écoulée et/ou à chaque fois que la conformation du tronçon proximal change sensiblement.
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