CA3233236A1 - Dispositif et methode de transport et de controle en direct de faisceaux lumineux - Google Patents

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 uvre 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-c urs 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, 609-611 (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 1A 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 1B 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 1B est en réalité une simple modification du montage d'imagerie endo-microscopique sans lentille de la figure 1A. 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 1C 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-5 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 1B et 1C) et pendant l'acquisition des images provenant de l'objet à analyser (figure 1A).

[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 1D 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-c urs 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

28 PCT/FR2022/051897 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 lmm 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 5 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 10 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-coeurs aux coeurs monomodes. La fibre optique multi-coeurs peut comprendre au moins autant de coeurs que de champs pilotes, chaque champ pilote étant transporté dans un coeur dédié de la fibre optique multi-coeurs 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 coeur monomode d'une fibre optique multi-coeurs.

[0049] Le transport d'un champ pilote dans un coeur dédié de la fibre optique multi-coeurs 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 coeur monomode d'une fibre multi-coeurs 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 Ei,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]
f = E El H est = Epilotes Erésultants12

[0066] Où EPilotes et ERésultants sont des matrices de dimensions [N x n] qui contiennent respectivement les n champs pilotes Ei,pilotes et les n champs résultants Ei,résultatnts, 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 HOproximal-distal la matrice de transmission d'une fibre optique dans une conformation de référence, mesurée dans le sens proximal-distal. La matrice de transmission HOdisteproximal 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 1mm 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 HOproximal-distal, il est possible de calculer l'image virtuelle des champs pilotes, d'après l'équation suivante :
Epilotes,distal HOproximal-distal . Erésultants,proximal, OU Epilotes,distal correspond au champ de l'image virtuelle des champs pilotes considérés à l'extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique, HOproximal-distal 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 Erésultants,proximal est les champs résultants de l'injection des champs pilotes par la seconde fibre optique à travers le coupleur inter-fibre, 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 5 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 10 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 inter-fibre placé à au moins 5 cm en amont de son extrémité distale, le coupleur inter-fibre étant configuré pour recevoir l'extrémité d'une seconde fibre optique, telle une 15 fibre multi-coeurs.

[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 CrIl.

[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 /0.

[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 inter-fibre 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 lm 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-coeurs 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. 1B] illustre de manière schématique le montage pour mesurer la matrice de transmission selon l'état de l'art ;

Fig. 1C

[0102] [Fig. 1C] illustre de manière schématique la méthode de mesure de matrice de transmission selon l'état de l'art ;
Fig. 1D

[0103] [Fig. 1D] 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 focalisé 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 5 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 10 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 15 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 20 [0116] [Fig. 11] Balayage d'un focus en utilisant la matrice de transmission estimée Hest ;
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-c urs. 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 100 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 100 comprenant une extrémité proximale 100-P et une extrémité distale 100-D, dans lequel l'extrémité
distale 100-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 100-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 100-P. Le coupleur inter-fibre étant placé à au moins 5 cm en amont de l'extrémité
distale de la première fibre 100-D. Le coupleur inter-fibre permet de coupler le tronçon proximal 10-P de la première fibre à un tronçon distal 100 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 100-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 100-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 100 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 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 100 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-c urs, 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 100-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 1B. 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 = Efocal,i où Efocau 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.
5 [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 =
connus. Chaque champ pilote est en effet exprimé par un vecteur comprenant N
10 = 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.
15 [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 : ERésuitants = H.Epliotes. Où El-ilotes et ERésuitants sont des matrices de dimensions [Nxn] = [30x4] qui contiennent 20 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 :
- Pilote1 : champs focalisé sur position1 ;
- Pilote2 : champs focalisé sur position2 ;
- Pilote3 : champs focalisé sur position3 ;
25 - Pilote4 : champs focalisé sur position4. Notons que les positions1, 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 30 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 11 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-coeurs 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 CARA ¨proximal 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 : HO proximal-distal 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 CARA ¨distal 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 Erésultant 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 CARA ¨distal.
[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 ERésuitants résultant de l'injection des champs pilotes EPilotes 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 Epilotes,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 Erésultants,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 Epilotes,distal que les champs pilotes Epilotes,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] Epilotes,distal =HO . Erésultants,proximal [0175] Désormais, nous savons qu'injecter les Epilotes,lateral par le coté
équivaut à
injecter les Epilotes,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 Epilotes,distal qui sont injectés au lieu des Epilotes,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]
f = EEIHestEpilotes Erésultants12 [0179] Où EPilotes et ERésultants 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 5 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

10 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 CARA ¨proximal avec un objectif OBJ. La voie de détection des 15 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.
20 [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, 25 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-c urs 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-c urs comprenant au moins autant de c ur 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 11, où le coupleur inter-fibre 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 11 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 11 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 uvre 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.