Brevet FR3081997A1 — publié le 20191206

DD18338 - ICG090246 1 Dispositif et procédé d'observation de particules, en particulier des particules su bmicroniques Description DOMAINE TECHNIQUE Le domaine technique de l'invention est un dispositif et un procédé d'observation d'un échantillon, et en particulier un échantillon comportant des particules biologiques, par exemple des cellules. ART ANTERIEUR Le recours à la microscopie pour l'observation de particules de tailles micrométriques est usuel. Cette technique consiste à focaliser une onde lumineuse incidente, émise par une source de lumière, sur une particule. Sous l'effet de l'illumination, la particule diffracte ou transmet une onde lumineuse vers un capteur d'image. Toutefois, plus la taille de la particule observée diminue, plus la quantité de lumière diffusée par la particule est faible. Il en résulte une diminution de la sensibilité de l'observation. Par ailleurs, lorsque la taille de la particule devient du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de l'onde lumineuse incidente, la résolution spatiale est limitée. Aussi, l'application de la microscopie pour l'observation de particules de taille submicroniques se heurte à des limitations en sensibilité et en résolution spatiale. L'observation d'échantillons, et en particulier des échantillons biologiques, par imagerie sans lentille, connaît un développement important depuis ces dix dernières années. Cette technique permet d'observer un échantillon en le plaçant entre une source de lumière, produisant une onde lumineuse incidente, et un capteur d'image, sans disposer de système optique de grossissement entre l'échantillon et le capteur d'image. Ainsi, le capteur d'image collecte une image d'une onde lumineuse transmise par l'échantillon. L'imagerie sans lentille désigne le fait qu'aucune optique de formation d'image n'est disposée entre l'échantillon et le capteur d'image. L'image formée par le capteur d'image comporte des figures d'interférence entre l'onde lumineuse incidente émise par la source et transmise par l'échantillon, et des ondes de diffraction, résultant de la diffraction, par des particules présentes dans l'échantillon, de l'onde lumineuse incidente. Ces figures d'interférences sont parfois dénommées figures de diffraction, ou désignées par le terme anglais « diffraction pattern ». Cette technique est décrite dans de nombreux documents, par exemple W0200809033 ou US2012/0218379. Elle permet d'observer un échantillon comportant des particules, sur la base DD18338 - ICG090246 2 de figures de diffraction formées par chaque particule sous l'effet d'une illumination par une onde incidente. Les images obtenues peuvent être traitées par un algorithme de reconstruction holographique, ce qui permet d'obtenir des images de bonne qualité. Ainsi, l'imagerie sans lentille constitue une alternative simple à la microscopie classique. Elle permet d'obtenir une 5 visualisation exploitable d'un échantillon, permettant de le caractériser. Elle permet par exemple l'identification ou le comptage de particules, en fonction de leur taille, ou en fonction de leur forme. Des exemples d'identification ou de comptage de particules biologiques sont par exemple donnés dans W02016151248 ou dans W02016151249. Le document EP3147646 décrit un dispositif d'observation d'un échantillon par imagerie sans 10 lentille, dans lequel l'échantillon est disposé contre un support comportant un réseau de diffraction. Le réseau de diffraction permet un couplage de l'onde lumineuse incidente dans un guide d'onde. Lorsqu'une particule est disposée au contact du guide d'onde, ou à une faible distance de ce dernier, une partie de l'onde lumineuse se propageant dans le guide d'onde est découplée. La particule diffracte une partie de l'onde lumineuse découplée, résultant en la 15 propagation d'une onde lumineuse de diffraction vers le capteur d'image. Ce dernier forme une image sur laquelle la particule apparaît sous la forme d'une tache lumineuse. Un tel dispositif bénéficie d'une sensibilité de détection élevée. Les inventeurs ont conçu un dispositif et un procédé d'observation de particules submicroniques par imagerie sans lentille, présentant une sensibilité élevée et une résolution spatiale améliorée. 20 L'invention permet en particulier de former des images exploitables de petites particules, permettant une détection de ces dernières avec une sensibilité élevée. L'invention s'applique tout particulièrement à la détection de très petites particules. EXPOSE DE L'INVENTION Un premier objet de l'invention est un dispositif pour réaliser une image d'au moins une 25 particule, disposée dans échantillon, comportant : - une source de lumière, apte à émettre une onde lumineuse, dite onde incidente, à une longueur d'onde d'émission, selon un axe de propagation, vers l'échantillon ; - un capteur d'image ; - un support, disposé entre la source de lumière et le capteur d'image, le support 30 définissant un plan de support, le plan de support pouvant être configuré pour recevoir l'échantillon ; le dispositif étant caractérisé en ce que : DD18338 - ICG090246 3 - le support est transparent à la longueur d'onde d'émission et comporte un réflecteur inférieur, formé d'au moins deux matériaux ayant des indices de réfraction différents, à la longueur d'onde d'émission, le réflecteur inférieur s'étendant entre le plan de support et le capteur d'image; 5 - le dispositif comporte un réflecteur supérieur, formé d'au moins deux matériaux ayant des indices de réfraction différents, à la longueur d'onde d'émission, le réflecteur supérieur s'étendant entre le plan de support et la source de lumière ; - le réflecteur supérieur est disposé face au réflecteur inférieur, de façon à former une cavité optique résonante ; 10 - le dispositif comporte un espace entre le réflecteur supérieur et le support, l'espace étant apte à être occupé par l'échantillon. Le réflecteur supérieur est également transparent à la longueur d'onde d'émission. Selon un mode de réalisation, le réflecteur inférieur est ou comporte un miroir de Bragg, dit miroir de Bragg inférieur, comportant une alternance périodique de couches minces formées 15 par au moins deux matériaux ayant des indices de réfraction différents. Les couches minces formant le miroir de Bragg inférieur peuvent notamment s'étendre perpendiculairement à l'axe de propagation. Selon un mode de réalisation, le réflecteur supérieur est ou comporte un miroir de Bragg, dit miroir de Bragg supérieur, comportant une alternance périodique de couches minces, formées 20 par au moins deux matériaux ayant des indices de réfraction différents. Les couches minces formant le miroir de Bragg supérieur peuvent notamment s'étendre perpendiculairement à l'axe de propagation. Selon une variante, le dispositif comporte une lentille convergente, disposée entre le plan de support et la source de lumière, la lentille convergente étant agencée pour faire converger l'onde lumineuse incidente vers un point de focalisation situé dans la cavité. Les 25 couches minces formant le miroir de Bragg supérieur peuvent alors s'étendre parallèlement à la lentille convergente. Les couches minces peuvent notamment être disposées entre la lentille convergente et la source de lumière. Selon cette variante, les couches minces se conforment à la forme de la lentille convergente. Selon un mode de réalisation, le réflecteur inférieur est ou comporte un réseau de diffraction, 30 dit réseau de diffraction inférieur, ménagé dans une première couche mince, et formant, dans cette dernière, un premier motif périodique. Selon un mode de réalisation, le réflecteur supérieur est un réseau de diffraction, dit réseau de diffraction supérieur, ménagé dans une deuxième couche mince, et formant, dans cette dernière, un deuxième motif. Le deuxième motif peut être périodique. Le réseau de diffraction DD18338 - ICG090246 4 supérieur, formé dans le réflecteur supérieur peut être agencé pour faire converger l'onde lumineuse incidente vers un point de focalisation situé dans la cavité. Selon un mode de réalisation, le réflecteur supérieur et le réflecteur inférieur sont ou comportent respectivement un miroir de Bragg. Selon un mode de réalisation, le réflecteur 5 supérieur et le réflecteur inférieur sont ou comportent respectivement un réseau de diffraction. Selon un mode de réalisation, le réflecteur supérieur est ou comporte un miroir de Bragg, et le réflecteur inférieur est ou comporte un réseau de diffraction. Selon un autre mode de réalisation, le réflecteur supérieur est ou comporte un réseau de diffraction, et le réflecteur inférieur est ou comporte un miroir de Bragg. 10 Quels que soient les modes de réalisation, le réflecteur inférieur et le réflecteur supérieur peuvent comporter chacun deux matériaux présentant un écart d'indice de réfraction supérieur ou égal à 0,3. Le réflecteur inférieur et/ou le réflecteur supérieur peuvent notamment être formés, de façon non exhaustive, à partir des couples de matériaux suivants : - silice et nitrure de silicium ; 15 - silice et oxyde de titane ; - silice et silicium amorphe ; - germanium et sulfure de zinc ; - ou d'autres couples de matériaux connus de l'homme du métier pour réaliser un miroir de Bragg ou un réseau de diffraction. 20 Le réflecteur inférieur et le réflecteur supérieur peuvent notamment être éloignés l'un de l'autre, selon l'axe de propagation, d'une distance d'écartement étant un multiple de la longueur d'onde d'émission. Un deuxième objet de l'invention est un procédé de formation d'une image d'au moins une particule, disposée dans un échantillon, à l'aide d'un dispositif selon le premier objet de 25 l'invention, le procédé comportant les étapes suivantes : - disposition de l'échantillon entre le support et le réflecteur supérieur; - émission, par la source de lumière, d'une onde lumineuse, l'onde lumineuse se propageant, à travers le réseau périodique supérieur, vers l'échantillon, puis subissant de multiples réflexions résonantes dans la cavité résonante; 30 - sous l'effet de la présence de la particule dans l'échantillon, diffusion d'une partie de l'onde lumineuse par la particule, à travers le support, pour former une onde de diffusion se propageant vers le capteur d'image ; DD18338 - ICG090246 5 - acquisition, par le capteur d'image, d'une image de l'onde de diffusion formée par la particule, l'image permettant au moins une localisation de la particule. La localisation de la particule peut être effectuée dans un plan parallèle à un plan de détection selon lequel s'étend le capteur d'image. 5 Le procédé peut comporter une application d'un algorithme de reconstruction holographique à l'image acquise par le capteur d'image. Selon un mode de réalisation, le dispositif comporte une lentille convergente, disposée entre le plan de support et la source de lumière, la lentille convergente étant agencée pour faire converger l'onde lumineuse incidente vers un point de focalisation situé dans la cavité formée 10 par le dispositif. Le réseau périodique supérieur peut comporter un miroir de Bragg supérieur dont les couches minces s'étendent parallèlement à la lentille convergente. De façon alternative, le réflecteur supérieur du dispositif est un réseau de diffraction, dit réseau de diffraction supérieur, ménagé dans une deuxième couche mince, et formant, dans cette dernière, un deuxième motif périodique, le réseau de diffraction supérieur étant agencé pour faire converger 15 l'onde lumineuse incidente vers un point de focalisation situé dans la cavité. Le procédé peut alors comporter une focalisation, par le réseau périodique supérieur, de l'onde lumineuse émise par la source de lumière, sur la particule. Le procédé peut alors comporter alors une focalisation, par le réflecteur supérieur, de l'onde lumineuse émise par la source de lumière, sur la particule. Selon ce mode de réalisation, le procédé peut comporter une illumination de l'échantillon selon 20 différentes positions de la source de lumière et du réflecteur supérieur, selon une direction perpendiculaire à l'axe de propagation, à chaque position de la source de lumière correspondant un point de focalisation de l'onde lumineuse émise par la source de lumière, le point de focalisation étant situé dans la cavité optique. Un autre objet de l'invention est un capteur d'image, comportant un réflecteur inférieur tel que 25 précédemment décrit, et solidaire de ce dernier. Le capteur d'image peut notamment comporter des pixels, arrangés selon une matrice, définissant un plan de détection. Le capteur d'image comporte un réflecteur, dit réflecteur inférieur, s'étendant face à la matrice de pixels, le réflecteur inférieur étant un formé d'au moins deux matériaux ayant des indices de réfraction différents, à une longueur d'onde d'émission. Le réflecteur inférieur est solidaire de la matrice 30 de pixels. Le réflecteur inférieur peut être ou comporter un miroir de Bragg, ou un réseau de diffraction, tels que précédemment décrits, ou tels que décrits dans la description qui suit. Le réflecteur est disposé en amont de la matrice de pixels, de telle sorte qu'une onde lumineuse détectée par la matrice de pixels, traverse le réflecteur avant d'atteindre la matrice de pixels. DD18338 - ICG090246 6 D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés sur les figures listées ci-dessous. FIGURES 5 La figure 1A montre un exemple d'un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 1B est un spectre de transmission d'une cavité optique résonante formée dans le premier mode de réalisation de l'invention. La figure 1C est une simulation représentative d'une propagation du champ électromagnétique à travers la cavité optique. Les figures 2A à 2C illustrent des simulations effectuées selon une configuration de l'art 10 antérieur, en considérant une particule de 0.1 p.m de côté. Les figures 2D à 2F illustrent des simulations effectuées selon le premier mode de réalisation, en considérant une particule de 0.1 p.m de côté. Les figures 3A à 3C illustrent des simulations effectuées selon une configuration de l'art antérieur, en considérant une particule de 0.5 p.m de côté. Les figures 3D à 3F illustrent des 15 simulations effectuées selon le premier mode de réalisation, en considérant une particule de de 0.5 p.m de côté. Les figures 4A et 4B sont respectivement une mesure et une simulation d'une figure de diffraction obtenues en considérant une configuration de l'art antérieur. Ces figures valident l'algorithme de simulation de figures de diffraction (ou hologrammes) mis au point par les 20 inventeurs. Les figures 5A à Si sont des simulations permettant de comparer des figures de diffraction respectivement obtenues selon une configuration de l'art antérieur et selon le premier mode de réalisation, et cela pour différentes tailles de particules. Les figures 5A à Si illustrent le gain en sensibilité conféré par l'invention. 25 La figure 6 montre le gain en rapport signal à bruit apporté par l'invention, en fonction de la taille des particules, par rapport à une configuration de l'art antérieur. Les figures 7A et 7B montrent des simulations d'images d'un échantillon comportant deux billes décalées axialement, en utilisant une configuration de l'art antérieur. Les figures 7C et 7D montrent des simulations d'images des échantillons respectivement observés sur les figures 7A 30 et 7B, en mettant en oeuvre l'invention. Les figures 7A à 7D illustrent le gain en résolution spatiale conféré par l'invention. DD18338 - ICG090246 7 La figure 8A est une simulation d'une image d'un échantillon comportant deux billes décalées selon une diagonale de l'image, en mettant en oeuvre l'invention. Les figures 8B et 8C sont des profils d'intensité obtenus à partir de la figure 8A. La figure 9A montre un exemple d'un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 9B 5 montre une vue d'un réseau de diffraction mis en oeuvre dans le deuxième mode de réalisation. Les figures 10A à 10F illustrent des simulations effectuées selon le deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 11A montre un exemple d'un troisième mode de réalisation de l'invention. La figure 11B montre un exemple d'un quatrième mode de réalisation de l'invention. 10 Les figures 12A et 12B sont des exemples de capteurs d'image intégrant un réflecteur, ces capteurs d'image étant adaptés à une mise en oeuvre de l'invention. EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS La figure 1A représente un premier mode de réalisation de l'invention. Une source de lumière 2 produit une onde lumineuse incidente 3 en direction d'un échantillon 7 disposé entre la source 15 de lumière 2 et un capteur d'image 30. L'échantillon est disposé entre la source de lumière 2 est un support, dit support inférieur 20. L'échantillon peut être en contact avec le support inférieur 20. L'échantillon s'étend entre le support inférieur 20 et un support supérieur 10. Le support supérieur 10 peut notamment être disposé entre l'échantillon 7 et la source de lumière 2. L'onde lumineuse 3 émise par la source de lumière, désignée par le terme onde lumineuse 20 d'émission, s'étend dans une bande spectrale 4X étroite autour d'une longueur d'onde d'émission X. La largeur de la bande spectrale 4X est de préférence inférieure à 50 nm, voire à 10 nm, voire à 5 nm ou 2 nm. La bande spectrale peut se situer dans le domaine visible, proche UV (> 200 nm), proche infra-rouge ( REVENDICATIONS1. Dispositif (1) pour réaliser une image d'au moins une particule (6), disposée dans échantillon (7), comportant : - une source de lumière (2), apte à émettre une onde lumineuse (3), dite onde incidente, à une longueur d'onde d'émission (X), selon un axe de propagation (Z), vers l'échantillon ; - un capteur d'image (30) ; - un support (20), disposé entre la source de lumière (2) et le capteur d'image (30), le support définissant un plan de support (Ps) ; le dispositif étant caractérisé en ce que : - le support (20) est transparent à la longueur d'onde d'émission et comporte un réflecteur inférieur (25,55), formé d'au moins deux matériaux (21, 22) ayant des indices de réfraction différents, à la longueur d'onde d'émission, le réflecteur inférieur s'étendant entre le plan de support et le capteur d'image; - le dispositif comporte un réflecteur supérieur (15, 45), formé d'au moins deux matériaux ayant des indices de réfraction différents (11, 12), à la longueur d'onde d'émission, le réflecteur supérieur s'étendant entre le plan de support (Ps) et la source de lumière (2); - le réflecteur supérieur (15,45) est disposé face au réflecteur inférieur (25,55), de façon à former une cavité optique résonante (9, 9'); - le dispositif comporte un espace libre (8) entre le réflecteur supérieur et le support, l'espace libre étant apte à être occupé par l'échantillon. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le réflecteur inférieur (25) comporte un miroir de Bragg, dit miroir de Bragg inférieur, comportant une alternance périodique de couches minces formées par au moins deux matériaux ayant des indices de réfraction différents (21, 22). 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les couches minces formant le miroir de Bragg inférieur s'étendent perpendiculairement à l'axe de propagation (Z). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réflecteur 30 supérieur (15) comporte un miroir de Bragg, dit miroir de Bragg supérieur, comportant une alternance périodique de couches minces, formées par au moins deux matériaux ayant des indices de réfraction différents (11, 12). DD18338 - ICG090246 21 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les couches minces formant le miroir de Bragg supérieur s'étendent perpendiculairement à l'axe de propagation (Z). 6. Dispositif selon la revendication 4, comportant une lentille convergente (16), disposée entre le plan de support (Ps) et la source de lumière, la lentille convergente étant agencée pour faire 5 converger l'onde lumineuse incidente (3) vers un point de focalisation (F) situé dans la cavité (9), le dispositif étant tel que les couches minces (11,12) formant le miroir de Bragg supérieur s'étendant parallèlement à la lentille convergente. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le réflecteur inférieur (55) comporte un réseau de diffraction, dit réseau de diffraction inférieur, ménagé dans 10 une première couche mince, et formant, dans cette dernière, un premier motif périodique. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réflecteur supérieur (45) comporte un réseau de diffraction, dit réseau de diffraction supérieur, ménagé dans une deuxième couche mince, et formant, dans cette dernière, un deuxième motif. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel le réflecteur supérieur (45), est agencé pour 15 faire converger l'onde lumineuse incidente (3) vers un point de focalisation (F) situé dans la cavité (9). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réflecteur inférieur (25, 55) et le réflecteur supérieur (15, 45) comportent chacun deux matériaux présentant un écart d'indice de réfraction supérieur ou égal à 0,3. 20 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le réflecteur inférieur (25, 55) et/ou le réflecteur supérieur (15, 45) est formé à partir des couples de matériaux suivants : - silice et nitrure de silicium ; - silice et oxyde de titane ; - silice et silicium amorphe ; 25 - germanium et sulfure de zinc. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réflecteur inférieur (25, 55) et le réflecteur supérieur (15, 45) sont éloignés l'un de l'autre, selon l'axe de propagation, d'une distance d'écartement (s) étant un multiple de la longueur d'onde d'émission (X). DD18338 - ICG090246 22 13. Procédé de formation d'une image d'au moins une particule (6), disposée dans un échantillon (7), à l'aide d'un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le procédé comportant les étapes suivantes : - disposition de l'échantillon (7) entre le support (20) et le réflecteur supérieur (15, 45); 5 - émission, par la source de lumière, d'une onde lumineuse (3), l'onde lumineuse se propageant, à travers le réflecteur supérieur (15), vers l'échantillon, puis subissant de multiples réflexions résonantes dans la cavité résonante (9); - sous l'effet de la présence de la particule (6) dans l'échantillon, diffusion d'une partie de l'onde lumineuse par la particule, à travers le support (20), pour former une onde de 10 diffusion (5') se propageant vers le capteur d'image ; - acquisition, par le capteur d'image, d'une image de l'onde de diffusion (5') formée par la particule, l'image permettant au moins une localisation de la particule. 14. Procédé selon la revendication 13, comportant l'application d'un algorithme de reconstruction holographique à l'image acquise par le capteur d'image (30). 15 15. Procédé selon la revendication 13 ou la revendication 14, dans lequel le dispositif est un dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 ou 9, le procédé comportant une focalisation, par le réflecteur supérieur (15), de l'onde lumineuse (3) émise par la source de lumière, sur la particule. 16. Procédé selon la revendication 15, comportant une illumination de l'échantillon selon 20 différentes positions de la source de lumière (2) et du réflecteur supérieur (15), selon une direction (X,Y) perpendiculaire à l'axe de propagation (Z), à chaque position de la source de lumière correspondant un point de focalisation (F) de l'onde lumineuse émise par la source de lumière, le point de focalisation étant situé dans la cavité optique (9).