Brevet FR2963117A1 — publié le 20120127

DISPOSITIF D'HOLOGRAPHIE L'invention a pour objet un dispositif d'imagerie optique permettant la formation d'un hologramme d'un objet en profondeur, et notamment d'hologrammes de coupes suivant les directions transversales (x,y) en profondeur d'un objet en maîtrisant l'extension longitudinale (z) de la coupe, c'est-à-dire son épaisseur. Le dispositif est avantageusement applicable à l'imagerie médicale ophtalmique, à l'imagerie microscopique et à l'imagerie de la microvascularisation par angiographie. Le dispositif est également avantageusement applicable à la vibrométrie d'objets excités par un mouvement alternatif à fréquence donnée. Parmi les techniques d'imagerie ophtalmique, il est connu d'utiliser l'angiographie. L'angiographie en profondeur dans la plupart des tissus est un examen basé sur l'injection d'un produit de contraste radio-opaque lors d'une imagerie par rayons ionisants : les rayons X. L'angiographie du fond d'oeil repose sur l'injection intraveineuse d'un colorant fluorescent, comme la fluorescéine ou le vert d'indocyanine. Le colorant est transporté par le courant sanguin dans le réseau artériel et veineux de la rétine, qu'il met en évidence sur des photographies optiques. Cette technique présente toutefois de nombreux inconvénients. Il s'agit d'une technique invasive, nécessitant une injection locale. Elle est ainsi difficile à mettre en oeuvre, fortement désagréable voire dangereuse pour le patient, et peu apte à mettre en évidence les vitesses de perfusion sanguine. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention vise à proposer des méthodes d'imagerie et d'angiographie en profondeur dans les tissus et les milieux diffusant la lumière, non invasives et non ionisantes. En particulier, l'invention propose un dispositif d'holographie qui permet une imagerie pouvant respecter les normes d'irradiation optique de la rétine, de la peau et des muqueuses, et ne nécessitant pas d'avoir recours à des produits de contraste. Le dispositif d'holographie selon l'invention permet en outre une imagerie de zones en mouvement situées en profondeur, et notamment à des profondeurs allant de 1 dam à quelques millimètres, par exemple jusqu'à 10 mm. L'invention peut aussi s'appliquer à la microscopie biologique, en permettant de détecter sélectivement la radiation optique en provenance d'un objet de 1 pm à quelques millimètres d'épaisseur. L'invention a ainsi pour objet un dispositif d'holographie permettant la formation d'un hologramme d'une zone d'un objet située en profondeur. La zone peut être statique ou en mouvement, le mouvement peut être imposé, comme dans le cas d'un mouvement alternatif à fréquence donnée, ou libre, comme dans le cas d'un écoulement ou d'un mouvement brownien. Le dispositif selon l'invention comprend : - des moyens de génération d'une onde d'illumination apte à éclairer l'objet et à produire une onde signal issue de l'objet ainsi illuminé, - des moyens de génération d'une onde de référence, distincte de l'onde d'illumination, de manière à ce que l'onde de référence et l'onde d'illumination proviennent d'une même source de lumière de cohérence spatiale et de cohérence temporelle adaptées à la formation d'interférogrammes de la zone pour une profondeur de la zone supérieure à 100 pm ; l'onde de référence et l'onde d'illumination peuvent ainsi provenir d'une même source de lumière de grande cohérence spatiale et de faible cohérence temporelle ou d'une source de lumière de grande cohérence temporelle, éventuellement accordable en longueur d'onde, - des moyens aptes à faire varier la différence de fréquence entre l'onde de référence et l'onde d'illumination, - des moyens aptes à faire interférer l'onde signal et l'onde de référence sur des moyens de détection optoélectroniques comprenant une pluralité de pixels, de manière à acquérir au moins un interférogramme pour une différence de fréquence donnée ou pour un balayage de différences de fréquence, - des moyens de réduction aptes à réduire ou empêcher le recouvrement i) des termes d'interférence entre l'onde de référence et l'onde signal, appelés termes d'interférence croisés, entre eux et avec ii) le terme d'interférence de l'onde de référence avec elle-même, et iii) le terme d'interférence de l'onde signal avec elle-même, et - des moyens de traitement aptes à former un hologramme de la zone de l'objet, à partir du ou des interférogrammes obtenus. Ainsi, l'utilisation de l'holographie permet une imagerie non invasive. Le dispositif selon l'invention permet une imagerie fiable, ne reposant 5 pas sur des méthodes d'analyse numérique basées sur des algorithmes susceptibles de diverger. Il permet également une bonne résolution spatiale et une bonne résolution temporelle, qui sont dues à une nouvelle approche de détection de l'effet Doppler en parallèle sur les pixels des moyens de détection 10 optoélectroniques, qui sont typiquement une caméra. La résolution spatiale est la capacité de discerner deux structures petites et proches. La résolution temporelle est le temps d'acquisition de l'information. Les moyens de génération de l'onde d'illumination et de l'onde de 15 référence peuvent être aptes à générer une onde d'illumination et une onde de référence présentant une cohérence spatiale et une cohérence temporelle adaptées à la formation d'interférogrammes de la zone pour une profondeur de la zone supérieure à 100 pm. De tels moyens de génération sont connus de l'homme du métier, qui a par exemple à sa disposition les systèmes utilisés en 20 tomographie, et notamment en tomographie en cohérence optique. On peut avantageusement employer des moyens de génération de grande cohérence spatiale, et notamment des moyens de génération aptes à générer une cohérence spatiale entre l'onde de référence et l'onde d'illumination telle qu'au moins 25% de la puissance optique de l'onde, et de 25 préférence au moins 50%, est comprise dans un mode transversal. De manière surprenante, la longueur de cohérence temporelle de la source de lumière peut être faible, par exemple comprise entre 1 pm et 1 mm. L'utilisation d'une source à faible longueur de cohérence temporelle permet en effet de mesurer un signal d'interférence optique en provenance 30 d'une région d'épaisseur limitée au niveau de l'objet, avec une sensibilité meilleure qu'avec les techniques connues de détection sur caméra. Cela peut être important, lorsque la source de radiation lumineuse présente des fluctuations d'amplitude importantes à la fréquence d'acquisition d'image de la caméra. La cohérence temporelle de la source de lumière peut également être grande, par exemple la longueur de cohérence de la radiation utilisée pour l'interféromètre, c'est-à-dire l'onde d'illumination, peut être supérieure à 1 mm. La longueur d'onde de la radiation émise par les moyens de génération de l'onde d'illumination et de référence peut être accordable en longueur d'onde sur 1 à 100 nm sans saut de mode longitudinal. Les moyens de génération de l'onde d'illumination et de l'onde de référence peuvent typiquement être à lumière visible, par exemple de longueur d'onde comprise entre 400 et 780 nm, ou proche infrarouge, par exemple de longueur d'onde comprise entre 780 et 1500 nm. Les moyens de génération de l'onde d'illumination et de l'onde de référence peuvent comprendre un laser femtoseconde, une diode superluminescente, un laser accordable en longueur d'onde, ou un laser multimode longitudinal. Grâce au dispositif de l'invention, une sensibilité adéquate permettant des mesures en fond d'oeil avec peu de photons est obtenue. Le dispositif permet de faire interférer l'onde signal, typiquement de faible puissance, de l'ordre de un à une centaine de milliers de photons rétrodiffusés par pixel et par image acquise, avec une onde de référence de plus forte puissance, apte à illuminer la caméra à semi-saturation, afin d'amplifier le signal par voie optique avant détection sur la caméra. La détection fait l'objet d'un hétérodynage, dans lequel l'oscillateur local d'hétérodynage (appelée aussi référence holographique) est décalé en fréquence temporelle (l'oscillateur local optique est de fréquence optique co différente de celle du signal) et en fréquence spatiale (l'oscillateur local optique est de vecteur d'onde k différent, c'est à dire de direction différente de la direction moyenne de l'onde signal). Le signal de battement hétérodyne ente l'onde signal et l'oscillateur local est alors modulé doublement, par exemple en fréquence temporelle (par exemple par désaccord en fréquence entre l'onde de référence et l'onde d'illumination), et par exemple en fréquence spatiale (par exemple par désaccord angulaire entre l'onde de référence et l'onde signal moyenne). La double modulation permet d'atteindre une sensibilité adéquate pour la mesure de spectres Doppler pertinents. L'interférence avec une onde de référence et la double modulation permet de réaliser un détecteur idéal. De manière surprenante, Le dispositif fait appel à des interférences entre l'onde diffractée, diffusée ou réfléchie par l'objet et une onde de référence séparée. En effet, dans les techniques connues, il n'y a pas de double modulation, et lorsqu'on réalise une image interférométrique avec une onde de référence séparée, on ne peut pas séparer le signal des termes parasites, qui dégradent très fortement les mesures. Les termes parasites de la composante interférentielle entre le signal cherché et la référence comprennent notamment le bruit du laser, les bruits de détection, ainsi que les termes d'interférences non croisés. Ce sont les moyens de réduction qui permettent d'éliminer les termes d'interférences parasites. Du fait que la mesure porte sur un signal interférométrique qui est amplifié par voie optique (ou sur un signal de battement hétérodyne qui est amplifié par l'effet du gain hétérodyne), la détection peut être effectuée dans des conditions de rapport signal à bruit suffisantes pour mesurer un signal Doppler optique pertinent. Les moyens de réduction permettent de séparer les interférences parasites de la composante interférentielle entre l'onde signal et l'onde de référence. Les moyens de réduction sont efficaces car la double modulation sélectionne une composante de fréquence non nulle dans l'espace des fréquences spatiales, et une composante de fréquence non nulle dans l'espace des fréquences temporelles. Le rapport signal à bruit désigne le rapport entre la grandeur d'un signal (information utile, significative) et celle du bruit (information inutile, non significative). L'interférence entre l'onde signal et l'onde de référence sur les moyens de détection permet d'amplifier les fluctuations de l'onde signal par voie optique, c'est-à-dire avant, à proprement parler, la détection par les moyens de détection, et permet ainsi d'éviter les problèmes inhérents à la détection de signaux en conditions de faible lumière. Le décalage de fréquence entre l'onde de référence et l'onde d'illumination, qui peut être librement modifié, permet en outre la mesure d'une composante spectrale de fluctuation optique (de fréquence voisine dudit décalage de fréquence) et qui peut être au-delà de la bande passante des moyens de détection. Ainsi, une caméra dont la fréquence d'acquisition d'image est de 10 Hz peut mesurer une carte de la composante spectrale de fluctuations optiques à 10 kHz par exemple, lorsque le décalage de fréquence est voisin de 10 kHz. Dans le cas d'une absence de décalage de fréquence, et en utilisant une caméra ultrarapide pour échantillonner le spectre de fluctuations optiques, par exemple de fréquence d'acquisition d'image supérieure à 1 kHz, la détection interférométrique du signal, qui bénéficie d'une amplification du fait de l'interférence avec une onde de référence séparée de grande amplitude, permet de disposer d'une illumination du capteur suffisante pour enregistrer un signal exploitable. Enfin, le recours à l'holographie pour l'imagerie Doppler optique sur une caméra permet de réaliser une mesure de fluctuations optiques sur un détecteur multipixel avec un rapport signal à bruit supérieur à ceux atteignables en imagerie directe. Les moyens de réduction sont de préférence aptes à produire, sur au moins une partie des moyens de détection, et de préférence sur l'ensemble des moyens de détection, un écart angulaire non nul entre la direction de propagation de l'onde signal et la direction de propagation de l'onde de référence. Les moyens de réduction peuvent comprendre des moyens de filtrage spatial. Les moyens aptes à faire varier la différence de fréquence entre l'onde de référence et l'onde d'illumination peuvent être des modulateurs acoustooptiques. Les moyens de traitement peuvent être aptes, dans le cas où un seul interférogramme est acquis, à soustraire ledit interférogramme à une image obtenue avec l'onde de référence seule. Dans le cas où deux interférogrammes sont acquis, ils peuvent être aptes à soustraire les deux interférogrammes. Dans le cas où plus de deux interférogrammes sont acquis, ils peuvent être aptes à effectuer au moins une combinaison linéaire des 5 interférogrammes acquis. Les moyens de traitement peuvent comprendre l'apodisation de la ou des images acquises. Les moyens de traitement sont par exemple aptes à effectuer une transformée de Fourier temporelle des interférogrammes acquis. 10 Le dispositif peut comprendre des moyens aptes a faire varier la différence de marche entre l'onde d'illumination et l'onde de référence, de manière à sélectionner un volume d'où provient le signal d'interférence. Les moyens aptes à faire varier la différence de fréquence sont de préférence aptes à faire varier la différence de fréquence entre -10 MHz et 15 +10 MHz. Les moyens aptes à faire varier la différence de fréquence sont de préférence aptes à faire varier la différence de fréquence suivant une échelle logarithmique. L'espacement logarithmique permet d'observer les variations des spectres Doppler en enregistrant un minimum d'information, c'est-à-dire 20 en maximisant la résolution temporelle. L'onde de référence peut être doublée ou triplée en fréquence par effet non linéaire optique de second ordre ou de troisième ordre. L'invention a également pour objet l'utilisation d'un dispositif décrit ci-dessus pour l'observation de fluctuations à l'échelle nanométrique ou 25 micrométrique. Elle a également pour objet l'utilisation d'un dispositif décrit ci-dessus pour l'observation de vaisseaux sanguins, en particulier l'observation de vaisseaux sanguins de l'oeil. Elle a également pour objet l'utilisation d'un dispositif décrit ci-dessus 30 pour l'imagerie ophtalmique. Elle a enfin pour objet l'utilisation d'un dispositif décrit ci-dessus pour la vibrométrie. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un dispositif d'holographie selon l'invention, et - les figures 2 à 4 montrent différentes images obtenues par un dispositif selon l'invention. Le dispositif d'holographie 1 selon l'invention, tel qu'illustré à la figure 1, comprend une source de lumière 2, par exemple un laser femtoseconde, destinée à produire une onde d'illumination de fréquence WL et une onde de référence de fréquence WL + Ace. L'onde d'illumination et l'onde de référence sont produites à partir du même laser 2 à l'aide d'un séparateur de faisceau 3. Un dispositif 10 est apte à produire un décalage de fréquence Aw entre l'onde de référence et l'onde d'illumination. Le dispositif 10 peut être une paire de modulateurs acousto-optiques. L'onde de référence est réfléchie à l'aide d'un miroir 4 et ainsi dirigée vers une caméra 5. La source de lumière 2 peut être une source de grande cohérence spatiale et de faible cohérence temporelle (telle qu'un laser femtoseconde), ou une source de grande cohérence spatiale et de grande cohérence temporelle, accordable en longueur d'onde sans saut de mode. L'onde d'illumination éclaire en champ large une zone d'un rat 6, la zone étant située à une profondeur z, et produit ainsi une onde signal qui, après un passage à travers deux séparateurs de faisceau 7,8, interfère avec l'onde de référence sur la caméra 5. Conformément à un premier mode de réalisation, les moyens optiques 3,4,7,8 peuvent être disposés de façon à produire sur la caméra 5 un écart angulaire non nul entre la direction de propagation de l'onde signal et la direction de propagation de l'onde de référence. On provoque ainsi un écart angulaire et fréquentiel entre l'onde signal et l'onde de référence. Conformément à un deuxième mode de réalisation, l'onde d'illumination éclaire l'objet 6 en champ large. L'onde réfléchie passe ensuite par des moyens de filtrage spatial, par exemple un diaphragme, et interfère avec l'onde de référence sur les pixels de la caméra 5. Dans ce deuxième mode de réalisation, on peut également provoquer un écart angulaire 8 non nul entre la direction de propagation de l'onde signal et la direction de propagation de l'onde de référence. Ainsi, le décalage de fréquence Ace entre l'onde de référence et l'onde d'illumination permet d'ajuster la fréquence de mesure des fluctuations optiques, tandis que le filtrage spatial et/ou l'écart angulaire 8 permet le non recouvrement des termes d'interférences croisés entre eux et avec le terme d'interférence de l'onde de référence avec elle-même et le terme d'interférence de l'onde signal avec elle-même. Les étalements Ato et le At sont les largeurs des fonctions de corrélation temporelle de la radiation optique. Des moyens 9 sont aptes à faire varier la différence de marche entre la longueur du trajet optique de l'onde objet et de l'onde de référence. Des hologrammes de coupes axiales en profondeur d'un objet sont ainsi réalisés à une profondeur correspondant à l'égalisation des trajets optiques. L'extension spatiale de la largeur de coupe est de l'ordre de la longueur de cohérence de la radiation. La figure 2 montre des images obtenues par traitement numérique holographique des interférogrammes acquis par le dispositif 1. Les images (a) à (d) sont des images du cerveau d'une souris à différentes profondeurs z. Les conditions d'imagerie sont dites « peu invasives » : la peau a été retirée et la barrière osseuse du crâne est intacte. On voit apparaître les vaisseaux sanguins du cerveau. Les images (a) à (d) de la figure 3 montrent également des images du cerveau d'une souris à différentes profondeurs z du crâne de la souris. Le protocole d'imagerie est identique à celui des résultats de la figure 2. Les conditions d'imagerie sont dites « non invasives » : la peau et la barrière osseuse du crâne sont intactes. Les poils sont préalablement épilés. Les vaisseaux sanguins du cerveau sont visibles. La figure 4 illustre des images (a) à (f) d'un oeil de rat, à différentes profondeurs z. Sur l'image (a), on est à proximité de la cornée de l'animal. Sur les images (b) et (c), on se situe entre la cornée et le cristallin. Sur l'image (d), on commence à voir la rétine et la circulation sanguine. Enfin, sur les images (e) et (f), on voit nettement le système vasculaire rétinien. Chez le rat, ce système prend la forme d'un réseau étoilé à douze branches. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour le diagnostic médical des pathologies de la rétine en permettant l'imagerie structurale du fond d'oeil à plusieurs centaines de microns de profondeur avec une résolution spatiale de l'ordre de quelques microns. L'invention permet de réaliser cette mesure en augmentant le débit d'information par rapport aux méthodes de l'état de l'art et présente en outre l'avantage de permettre la mesure par effet Doppler de contrastes de mouvement, tel que celui de la microcirculation sanguine, de par la sélectivité et l'accordabilité en fréquence du procédé de détection mis en oeuvre. Elle rend possible en particulier l'imagerie angiographique, jusqu'aux plus petits vaisseaux, sans utilisation de produit de contraste.15 REVENDICATIONS1. Dispositif d'holographie (1) permettant la formation d'un hologramme d'une zone d'un objet (6) située en profondeur, caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens (2) de génération d'une onde d'illumination apte à éclairer l'objet (6) et à produire une onde signal issue de l'objet (6) ainsi illuminé, - des moyens (2) de génération d'une onde de référence, distincte de l'onde d'illumination, de manière à ce que l'onde de référence et l'onde d'illumination soient issues d'une même source de lumière de cohérence spatiale et de cohérence temporelle adaptées à la formation d'interférogrammes de la zone pour une profondeur de la zone supérieure à 100 dam, - des moyens (10) aptes à faire varier la différence de fréquence entre l'onde de référence et l'onde d'illumination, - des moyens aptes à faire interférer l'onde signal et l'onde de référence sur des moyens de détection optoélectroniques (5) comprenant une pluralité de pixels, de manière à acquérir au moins un interférogramme pour une différence de fréquence donnée ou pour un balayage de différences de fréquence, - des moyens de réduction (8) aptes à réduire ou empêcher le recouvrement i) des termes d'interférence entre l'onde de référence et l'onde signal, appelés termes d'interférence croisés, entre eux et avec ii) le terme d'interférence de l'onde de référence avec elle-même, et iii) le terme d'interférence de l'onde signal avec elle-même, et - des moyens de traitement aptes à former un hologramme de la zone de l'objet (6), à partir du ou des interférogrammes acquis. 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cohérence spatiale entre l'onde de référence et l'onde d'illumination esttelle qu'au moins 25% de la puissance optique de l'onde est comprise dans un mode transversal. 3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la longueur de cohérence de l'onde d'illumination est supérieure à 1 mm, et en ce que la longueur d'onde de la radiation émise par les moyens de génération (2) de l'onde d'illumination et de référence est accordable en longueur d'onde sur 1 à 100 nm sans saut de mode longitudinal. 4. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la longueur de cohérence temporelle de la source de lumière est comprise entre 1 dam et 1 mm. 5. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens (2) de génération de l'onde d'illumination et de l'onde de référence comprennent un laser femtoseconde, une diode superluminescente, un laser accordable en longueur d'onde, ou un laser multimode longitudinal. 6. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de réduction (8) sont aptes à produire, sur au moins une partie des moyens de détection (5), un écart angulaire non nul entre la direction de propagation de l'onde signal et la direction de propagation de l'onde de référence. 7. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de réduction (8,9) comprennent des moyens de filtrage spatial (9). 8. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens (10) aptes à faire varier la différence de fréquence entre l'onde de référence et l'onde d'illumination sont des modulateurs acousto-optiques (10). 9. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de traitement sont aptes, dans le cas où un seul interférogramme est acquis, à soustraire ledit interférogramme à une image obtenue avec l'onde de référence seule, en ce qu'ils sont aptes, dans le cas où deux interférogrammes sont acquis, à soustraire les deux interférogrammes, et en ce qu'ils sont aptes, dans le cas où plus de deux interférogrammes sont acquis, à effectuer au moins une combinaison linéaire des interférogrammes acquis. 10.Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent l'apodisation de la ou des images acquises. 11.Dispositif (1) selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de traitement sont aptes à effectuer une transformée de Fourier temporelle des interférogrammes acquis. 12.Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens aptes a faire varier la différence de marche entre l'onde d'illumination et l'onde de référence, de manière a sélectionner un volume d'où provient le signal d'interférence. 13.Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les moyens (10) aptes à faire varier la différence de fréquence sont aptes à faire varier la différence de fréquence entre -10 MHz et +10 MHz. 14.Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les moyens (10) aptes à faire varier la différence de fréquence sont aptes à faire varier la différence de fréquence suivant une échelle logarithmique. 15.Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que l'onde de référence est doublée ou triplée en fréquence par effet non linéaire optique de second ordre ou de troisième ordre. 16.Utilisation d'un dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 15 pour l'observation de fluctuations à l'échelle nanométrique ou micrométrique. 17.Utilisation d'un dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 15 pour l'observation de vaisseaux sanguins. 18.Utilisation d'un dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 15 pour l'imagerie ophtalmique. 19.Utilisation d'un dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 15 pour la vibrométrie.