Brevet FR2817040A1 — publié le 20020524

"Système optique et procédé de mesure interférométrique à haute cadence, et circuit d'optique intégrée mis en oeuvre dans le procédé." La présente invention concerne un système optique et un procédé de mesure interférométrique à haute cadence avec utilisation. Elle concerne également un circuit d'optique intégrée mis en oeuvre dans le procédé. L'invention trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine médical de la tomographie optique cohérente (OCT) dans lequel on désire obtenir une image en coupe d'un tissu biologique in vivo par exemple. Toutefois, l'invention est d'un cadre plus large car elle est utilisable dans le domaine industriel dans lequel on fait du contrôle qualité grâce à une caractérisation sans contact des matériaux tels que la céramique, les plastiques, les verres ou tout autre matériau diffusant. D'une façon générale, dans un interféromètre de type Michelson de la figure 1, on sépare un faisceau de lumière incident 1 en deux parties. Un premier faisceau 2 est envoyé vers un milieu Ml dans lequel on cherche à mesurer un paramètre physique (dimension, indice de réfraction, température, composition chimique...) alors que le deuxième faisceau 3 est introduit dans un dispositif appelé ligne à retard ou milieu M2. De manière générale les faisceaux sont réfléchis ou bien diffusés par les milieux Ml et M2 puis mélangés en retour à la surface d'un détecteur D. Dans de tels montages la source de lumière S est monochromatique, telle un laser, ou bien polychromatique telle une source de type DEL, SDEL etc... Le milieu M2 peut être un miroir en translation rectiligne uniforme. Le rôle de la ligne à retard est de réaliser une opération de corrélation entre les signaux issus des milieux Ml et M2. Cependant, l'utilisation d'un miroir en translation rectiligne uniforme conformément à la figure 1, présente un problème du fait de la limitation de la vitesse de ce miroir pour un aller retour. On appelle temps de cycle le temps mis par le miroir pour réaliser un allerretour. Ce temps de cycle est où 2L est le déplacement aller-retour du miroir et V la vitesse du réflecteur. Pour L= 5 mm et V = 10 mm/s, on constate que le temps de cycle est de l'ordre de ls. Beaucoup d'applications nécessitent des temps de cycle extrêmement rapides, de l'ordre de la milliseconde. C'est le cas par exemple du contrôle qualité en milieu industriel ou de la tomographie dans le domaine biomédical. Dans le cadre de la tomographie optique cohérente en biomédical, le premier faisceau pénètre un échantillon à analyser et revient interférer avec le second faisceau pour former un interférogramme tel que représenté sur la figure 2. On voit deux trains d'interférences correspondant par exemple chacun à une interface entre deux milieux d'indices différents. L'abscisse de l'interférogramme de la figure 2 correspond à l'axe de déplacement du miroir. La mesure d'un point sur l'échantillon prend environ une seconde, donc un temps non négligeable dans la mesure où on désire reconstituer une image représentant une coupe de l'échantillon avec illustration des variations de densité internes. L'approche du miroir en translation rectiligne uniforme n'est plus réaliste car cela signifierait un entraînement mécanique à plusieurs km/h avec des accélérations, au changement de direction, dépassant les capacités de charge des systèmes mécaniques usuels. Toute approche mécanique compromettrait la durée de vie d'un tel dispositif. Ce dispositif présente donc des inconvénients en terme de fiabilité et de rapidité. L'invention vise à apporter une solution à ces problèmes en proposant un système permettant une acquisition rapide de l'interférogramme. Un autre but de l'invention est de proposer un système interférométrique compact. On atteint les objectifs ci-dessus avec un système optique de mesure interférométrique à haute cadence comprenant un bras de référence véhiculant un faisceau lumineux de référence, et un bras de mesure véhiculant un faisceau lumineux de mesure. Le bras de mesure comprend un objet de mesure sur lequel réfléchit le faisceau lumineux de mesure. Selon l'invention, le système comprend en outre un dispositif à trous d'Young pour recevoir les faisceaux lumineux de référence et de mesure. Ce dispositif à trous d'Young comporte un récepteur pour recevoir le signal d'interférence entre le faisceau lumineux de référence et le faisceau lumineux de mesure. Le système comprend également des moyens électroniques pour interpréter le signal d'interférence ou interférogramme. Avec un tel dispositif, contrairement à l'interféromètre basique de Michelson, les deux faisceaux lumineux ne sont pas mélangés, ils sont introduits chacun dans un trou d'Young de façon à être diffracté vers le récepteur. L'invention est ainsi remarquable par le fait qu'elle combine un interféromètre classique avec un dispositif à trous d'Young. Avantageusement, le système comprend en outre une source de lumière polychromatique alimentant un coupleur optique afin de former le faisceau lumineux de référence et le faisceau lumineux de mesure. Avec une source de lumière polychromatique, les deux faisceaux interfèrent sur le récepteur en formant des franges successivement claires et sombres visibles sur une petite zone. La frange centrale présente une intensité lumineuse maximum, pour les autres franges le niveau d'intensité décroît exponentiellement. Lorsqu'un des deux bras introduit un retard, les franges se déplacent du côté du bras présentant le retard. La mesure de ce décalage sur le récepteur permet de déterminer le retard introduit dans le système. Dans le cas d'analyse d'un point d'un tissu biologique par exemple, la lumière pénétrant dans ce tissu subit de nombreuses réflexions à différentes profondeurs. Chaque faisceau réfléchi vient interférer avec le faisceau de référence sur le récepteur pour former un signal d'interférence composé d'un ensemble de franges dont la frange centrale est décalée par rapport à une position zéro prédéfinie. Le décalage de la frange centrale permet de retrouver la profondeur à laquelle le faisceau correspondant a réfléchi dans le tissu, et le niveau d'intensité lumineuse permet de déterminer le pouvoir échogène du tissu à cette profondeur. Ainsi, le récepteur est le siège d'une superposition de signaux d'interférence. Les moyens électroniques permettent d'interpréter cette superposition. L'état d'interférence en un point M du récepteur peut être représenté par l'équation suivante : avec z : différence de chemin optique dans l'interféromètre ; correspond également à la profondeur du tissu ; Ir : intensité lumineuse du faisceau de référence issu du bras de référence ; Id : intensité correspondant au faisceau lumineux de mesure non corrélée avec le faisceau lumineux de référence ; Ib : intensité correspondant au faisceau lumineux de mesure corrélée avec le faisceau lumineux de référence ; lc : longueur de cohérence de la source de lumière ; À : longueur d'onde ; 0 : angle apparent entre les deux trous de Young vu du récepteur ; x : abscisse du point M selon un axe parallèle à la droite reliant les deux trous d'Young ; et F (z) : fonction représentant le pouvoir échogène du tissu en fonction de la profondeur de pénétration, cette fonction est normalisée. En utilisant X= Ox, il est possible d'obtenir l'équation de convolution suivante : avec INT (X) réponse impulsionnelle du système définie par Après démodulation et filtrage des signaux, il est possible d'extraire le terme d'interférence : où a est une constante positive non nulle. En appelant S (A), INT (ils) et F (A) les transformées de Fourier de S (X), INT (X) et F (X), il est possible de calculer F (A) puis F (z) par une transformation de Fourier inverse : Cette relation (6) indique que la détermination d'une image en coupe est rendue possible à partir d'une opération de déconvolution du signal interférométrique. D'autres méthodes d'inversion de la relation (5) peuvent être proposées dans le but de diminuer un certain nombre d'imperfections liées au problème général de la déconvolution en présence de bruit. Pour modifier l'étendue de mesure, on peut prévoir en aval des trous d'Young une lame transparente. Si cette lame présente un indice n par exemple, l'étendue de mesure est alors I n fois plus grande que celle d'un système sans lame. Par ailleurs, le bras de référence de la présente invention comprend un miroir sur lequel réfléchit le faisceau lumineux de référence. Contrairement à l'état de la technique, ce miroir peut rester fixe. Il n'est plus nécessaire d'effectuer un balayage du miroir pour modifier le chemin optique du faisceau lumineux de référence, cette modification réalisant des interférences successives sur le récepteur en fonction de la profondeur du faisceau de mesure dans le tissu. Dans le système selon l'invention, on obtient instantanément un interférogramme sur le récepteur, cet interférogramme renfermant toutes les informations nécessaires pour retrouver le pouvoir échogène du tissu en fonction de la profondeur dans ce tissu. Ainsi le temps d'acquisition est réduit puisque l'interférogramme, tel que celui de la figure 2, ne se crée pas en fonction du déplacement du miroir, mais il est complètement capté sur le récepteur de façon instantanée. En d'autres termes, la durée d'une mesure n'est plus limitée par un balayage du miroir, mais par le temps nécessaire pour que le récepteur enregistre l'interférogramme. De préférence, le récepteur comprend un capteur à transfert de charge de type CCD, ce qui permet de réaliser des acquisitions à une fréquence de plusieurs dizaines de kHz alors que le temps d'acquisition d'un point de tissu dans l'état de la technique est de l'ordre d'une seconde. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, le système comprend des moyens mécaniques pour entraîner le miroir selon un mouvement oscillant. En particulier, on augmente la dynamique et la sensibilité de la détection sur le récepteur en réalisant une détection synchrone. On peut moduler, par effet thermo-optique, le chemin optique dans le bras de référence suivant une loi sinusoïdale. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif à trous d'Young comprend un circuit d'optique intégrée. Un tel circuit d'optique intégrée permet de rendre le système d'acquisition compact, on remplace une bonne partie des fibres optiques. Selon un aspect avantageux de l'invention, on peut intégrer dans ce circuit un moyen de couplage pour former les faisceaux lumineux de référence et de mesure directement à partir d'une source de lumière polychromatique alimentant le circuit d'optique intégrée. Par ailleurs, le bras de référence et le bras de mesure sont connectés directement à ce circuit d'optique intégrée. Selon l'invention, il est proposé un procédé de mesure interférométrique à haute cadence dans lequel : on forme un faisceau lumineux de référence et un faisceau lumineux de mesure à partir d'une source de lumière polychromatique, on fait réfléchir le faisceau lumineux de référence sur un miroir avant de l'introduire dans un dispositif à trous d'Young, on fait réfléchir le faisceau lumineux de mesure sur un objet de mesure avant de l'introduire également dans le dispositif à trous d'Young, on place un capteur à transfert de charge de type CCD dans le dispositif à trous d'Young afin de recueillir le signal d'interférence entre les faisceaux lumineux de référence et de mesure. La présente invention a également pour objet un circuit d'optique intégrée pour réaliser une fonction de guide d'onde selon le principe des trous d'Young. Ce circuit comprend : trois voies d'entrée, une centrale et deux externes, reliées entre elles au moyen de deux lobes de façon à constituer un guide d'onde en forme de"M", deux voies latérales concaves connectées en amont respectivement aux intersections des deux lobes avec les deux voies d'entrée externes, les deux voies latérales débouchant en aval dans une zone de non guidage de sorte que deux faisceaux lumineux véhiculés par les deux voies latérales puissent interférer. Par ailleurs, ce circuit peut comprendre un capteur à transfert de charge de type CCD pour recueillir le signal d'interférence. Avantageusement, les voies de guidage comprennent des ions de sel fondu intégrés dans un substrat de verre. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique simplifiée d'un interféromètre classique de Michelson ; la figure 2 est un interférogramme illustrant deux trains d'interférences à la suite d'une analyse d'un verre à deux interfaces éloignées ; la figure 3 est un schéma simplifié d'un système optique de mesure comportant un dispositif à trous d'Young selon l'invention ; la figure 4 est un schéma simplifié d'un circuit d'optique intégrée selon l'invention. Bien que l'invention n'y soit pas limitée, on va décrire un système optique de mesure d'un tissu d'origine biologique. On voit sur la figure 3, une source de lumière S alimentant un coupleur 4 de façon à former un faisceau de mesure 7 et un faisceau de référence 8 véhiculés respectivement par le bras de mesure 9 et le bras de référence 10. Le faisceau lumineux de mesure est dirigé vers un tissu biologique 5. Lorsque le faisceau lumineux de mesure interagit avec le tissu 5, quelques photons vont rebrousser chemin et retourner dans le système optique. Les photons n'ayant subi qu'une seule diffusion, ou rétro-diffusion, sont appelés"photons balistiques". Ces photons comportent une information de phase qui dépend de la profondeur à laquelle le mécanisme de diffusion a eu lieu. La mesure de la phase des photons balistiques (par mesure des décalages sur le récepteur) permet de déterminer à quelle profondeur a eu lieu le mécanisme de la diffusion alors que la quantité de photons, lié au contraste de la figure d'interférence, permet de déterminer le pouvoir échogène du tissu. La profondeur dans le tissu est repérée par un axe z dont l'origine est fixée à la surface du tissu 5. Le faisceau de mesure, après interaction avec le tissu 5, comprend les photons rétro-diffusés à différentes profondeurs. Il est ensuite guidé par le bras de mesure vers un trou B. On fait réfléchir le faisceau de référence 8 sur un miroir fixe 6 puis on le guide vers un trou A. Les trous A et B sont des trous d'Young disposés dans un dispositif à trous d'Young 11. Les faisceau lumineux de référence et de mesure sont diffractés par ces trous de façon à interférer sur un capteur CCD 13 disposé dans le dispositif 11. Le capteur reçoit une superposition de franges provenant de l'interférence du faisceau de référence avec différents photons rétro-diffusés à différentes profondeurs dans le tissu. Le miroir reste fixe, l'interférogramme, composé de la superposition de franges, est obtenu de façon instantanée. Les moyens électroniques 14 permettent de réaliser une opération de déconvolution pour interpréter la superposition des franges et retrouver le pouvoir échogène des différentes profondeurs du tissu. On obtient l'information concernant la profondeur grâce au décalage des franges par rapport à une origine prédéterminée sur le capteur CCD 13. Cette origine peut être fixée avant de débuter l'acquisition. Pour ce faire, pour une distance donnée d'un objet non volumique, on déplace le miroir 6 de telle sorte que la position d'une frange brillante se situe au centre du capteur CCD. La lame 12 disposée en aval des deux trous d'Young permet d'amplifier le décalage des franges sur le récepteur. Afin d'augmenter la dynamique et la sensibilité de la détection, on peut réaliser une détection synchrone. La modulation peut être réalisée par effet thermooptique. La variation du chemin optique dans le bras de référence suit une loi du type b= bO + m. cosQt ; avec b, la distance entre le miroir et l'entrée d'une fibre optique du bras de référence ; bO et m des constantes positives. La différence de chemin optique s'écrit donc z= bO-a + m. cosQt ; avec a : la distance entre le tissu et l'entrée d'une fibre optique du bras de mesure. La différence de marche va donc être modulée autour de deux valeurs extrêmes zmax et zmin données par les relations : zmax = bO-a + m zmin = bO-a-m Sous l'effet de la modulation de phase du chemin de référence (ou variation de chemin optique), l'interférogramme se translate sur le capteur CCD de la quantité mie. Pour m = lum et e = 0,057 rad le déplacement global de l'interférogramme sera de 17.5 um. Lorsque l'interférogramme se déplace sur le capteur, l'intensité en chaque pixel est modulée avec une amplitude plus ou moins importante qui dépend de la fonction F (z) et de l'amplitude du déplacement m. Pour réduire les dimensions du système optique, on peut remplacer le dispositif 11 par un circuit d'optique intégrée. La figure 4 est un schéma illustrant un tel système. La source S alimente directement un circuit d'optique intégrée 18 en lumière polychromatique au moyen d'une fibre optique 15. Le circuit 18 fonctionne selon le principe des trous d'Young. La technique permettant de réaliser un tel dispositif est connue sous le nom d'optique intégrée sur verre. Les techniques de photolithographie actuelles permettent après un processus technologique précis de créer des augmentations d'indice local sur un substrat de verre. Ces variations d'indices ont pour effet de confiner la lumière exactement au lieu où l'indice est plus élevé. La lumière est alors guidée à la surface du substrat. En utilisant des masques de lithographie adéquats, il est possible de réaliser des motifs de toutes sortes dans lesquels la lumière est guidée. La technologie utilisée pour la réalisation de ces guides d'ondes est l'échange d'ions. Après avoir déposé un masque d'aluminium représentant le motif voulu, sur le substrat de verre, on plonge le tout dans un bain de sel fondu pendant un certain temps. L'échange se fait, les ions du sel fondu prennent la place d'ions issus du verre et les guides se créent. Le motif réalisé dans le circuit de la figure 4 comprend trois voies d'entrée parallèles 19,20 et 21 reliées par deux lobes 22 et 23 de telle sorte que ces voies et ces lobes forment un"M". Une voie latérale concave 24 est connectée, en amont de cette voie, à l'intersection de la voie d'entrée 19 avec le lobe 23, puis débouche, en aval de cette voie, sur une zone de non guidage 26. Une seconde voie latérale concave 25 est connectée, en amont de cette voie, à l'intersection de la voie d'entrée 21 avec le lobe 22, puis débouche, en aval de cette voie, sur la zone de non guidage 26. La voie d'entrée 20 avec les lobes 22 et 23 réalisent un coupleur permettant de former deux faisceaux lumineux à partir de la lumière fournit par la source S. Un faisceau lumineux de référence est dirigé vers le miroir 6 au moyen d'un bras de référence 17. Un faisceau lumineux de mesure est dirigé vers le tissu 5 au moyen d'un bras de mesure 16. Les faisceaux réfléchis par le miroir 6 et le tissu 5 sont introduits dans le circuit 18 par les voies 19 et 21 de façon à être ensuite guidés par les voies latérales 24 et 25. Les deux faisceaux lumineux viennent interférer dans la zone de non guidage 26. Un capteur CCD 27 est disposé à la limite de la zone 26 de façon à recueillir le signal d'interférence. Le miroir peut rester fixe ou être mobile. Dans le cas où le miroir est mobile, son mouvement est modulé afin de réaliser une détection synchrone. Ce circuit d'optique intégrée permet d'améliorer considérablement le système optique formant un tomographe pour la mesure de tissu biologique. Il permet : le guidage de la lumière de la source de lumière jusqu'au capteur de sortie ; ainsi seules les pertes occasionnées par ce circuit sont prises en compte, une stabilité thermique et mécanique accrue, et - l'élimination des réglages fastidieux. La formation des franges se fait sur le principe des trous d'Young et l'interférogramme se forme instantanément dans l'espace alors que dans l'état de la technique l'interférogramme se forme dans le temps. Il suffit de mettre un capteur CCD à l'emplacement des franges pour recueillir le signal interférométrique. L'acquisition se fait alors à la vitesse du capteur CCD, ce qui peut atteindre plusieurs dizaines de kHz. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système optique de mesure interférométrique à haute cadence comprenant : un bras de référence (10,17) véhiculant un faisceau lumineux de référence (8), - un bras de mesure (9, 16) véhiculant un faisceau lumineux de mesure (7), ce bras de mesure comportant un objet de mesure (5) sur lequel réfléchit le faisceau lumineux de mesure, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un dispositif à trous d'Young (11,18) pour recevoir les faisceaux lumineux de référence et de mesure, ce dispositif à trous d'Young comportant un récepteur (13,27) pour recevoir le signal d'interférence entre le faisceau lumineux de référence et le faisceau lumineux de mesure, et des moyens électroniques (14) pour interpréter le signal d'interférence. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une source de lumière (S) polychromatique alimentant un coupleur optique (4) afin de former le faisceau lumineux de référence et le faisceau lumineux de mesure. 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif à trous d'Young (11) comprend en aval des trous d'Young une lame transparente (12) permettant de modifier l'étendue de mesure. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif à trous d'Young comprend un circuit d'optique intégrée (18). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une source de lumière (S) polychromatique alimentant (15) le circuit d'optique intégrée, et en ce que ce circuit d'optique intégrée (18) comprend un moyen de couplage (20,22, 23) pour former les faisceaux lumineux de référence et de mesure, le bras de référence (17) et le bras de mesure (16) étant connectés à ce circuit d'optique intégrée. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bras de référence comprend un miroir (6) sur lequel est réfléchi le faisceau lumineux de référence. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens mécaniques pour entraîner le miroir (6) selon un mouvement oscillant. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le récepteur comprend un capteur à transfert de charge de type CCD (13,27). 9. Procédé de mesure interférométrique à haute cadence mis en oeuvre dans le système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que : on forme un faisceau lumineux de référence (8) et un faisceau lumineux de mesure (7) à partir d'une source de lumière polychromatique (S), on fait réfléchir le faisceau lumineux de référence sur un miroir (6) avant de l'introduire dans un dispositif à trous d'Young, on fait réfléchir le faisceau lumineux de mesure sur un objet de mesure avant de l'introduire également dans le dispositif à trou d'Young, on place un capteur à transfert de charge de type CCD dans le dispositif à trou d'Young afin de recueillir le signal d'interférence entre les faisceaux lumineux de référence et de mesure. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on maintient le miroir fixe. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on déplace le miroir selon un mouvement oscillant. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'on réalise une opération de déconvolution du signal d'interférence pour déterminer le pouvoir échogène d'un objet volumique en fonction de la profondeur. 13. Circuit d'optique intégrée pour réaliser une fonction de guide d'onde selon le principe des trous d'Young, circuit mettant en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, comprenant ; trois voies d'entrée reliées entre elles au moyen de deux lobes de façon à constituer un guide d'onde en forme de M, deux voies latérales concaves connectées en amont respectivement aux intersections des deux lobes avec les deux voies d'entrée externes, les deux voies latérales débouchant en aval dans une zone de non guidage de sorte que deux faisceaux lumineux véhiculés par les deux voies latérales puissent interférer. 14. Circuit d'optique intégrée selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur à transfert de charge de type CCD pour recueillir le signal d'interférence. 15. Circuit d'optique intégrée selon l'une des revendications 13 et 14, caractérisé en ce que les voies de guidage comprennent des ions de sel fondu intégré dans un substrat de verre.