FR2834567A1 - Procede et dispositif de visualisation microscopique a sondes locales d'un objet tridimensionnel - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de visualisation microscopique d'un objet tridimensionnel dans lequel l'échantillon (1) est visualisé au travers d'un interféromètre (2).Des sondes locales (9) de dimensions nanométriques sont introduites dans l'échantillon (1).L'invention concerne également un dispositif de visualisation microscopique d'un objet tridimensionnel comportant un interféromètre (2), une source à spectre large (5), un capteur matriciel (6), des moyens de formation de l'image d'une mince tranche de l'objet sur le capteur au travers de l'interféromètre (2), une unité de traitement de l'image produite par le capteur matriciel (6).Le dispositif comporte des moyens d'introduction de sondes locales (9) dans l'échantillon.
Description
électroluminescentes. La présente invention concerne un procédé et un
dispositif de
visualisation microscopique d'un objet tridimensionnel.
Les techniques de microscopie en champ proche (STM - Scanning Tunneling Microscopy - Microscopie à effet tunnel; AFM - Atomic Force MicroscopyMicroscopie à force atomique; SNOM-Scanning Nearfield Optical MicroscopyMicroscopie optique en champ proche) dont le principe consiste à balayer une pointe à la surface de l'échantillon, permettent d'obtenir des images avec une résolution supérieure à celle de
la microscopie optique classique.
Ces techniques se sont développées rapidement au cours des
dernières annces mais ne sont applicables qu'à l'étude de surfaces.
Le but de la présente invention est la réalisation d'images tridimensionnelles permettant donc une visualisation de l'intérieur d'un échantillon avec une définition également supérieure à celle permise par
la microscopie optique classique.
Une telle visualisation tridimensionnelle offrant une résolution
nanométrique pourra recevoir de nombreuses applications.
De manière générale, elle permet le suivi de sondes locales incluses
dans des structures.
o Dans certains cas, cette visualisation consiste en la représentation d'une tranche, limitée en profondeur, de l'échantillon. Dans d'autres cas, le cumul des informations contenues dans plusieurs tranches permet d'obtenir des visualisations tridimensionnelles globales, par exemple en perspective. Différentes applications de cette visualisation de sondes locales
sont possibles.
Les sondes peuvent étre animées de mouvements limités au sein
d'une structure.
L'analyse des positions des sondes, de leur répartition statistique, o permet d'acquérir des connaissances sur la structure, par exemple sur des
parois lirnitant les mouvements des sondes.
Ainsi, les procédé et dispositif de visualisation objets de la présente invention permettent de réaliser des images détaillées du volume interstitiel. Cette méthode permet encore l'exploration de la structure d'éléments physiologiques tels que des cellules comme les neurones, de décrire le contact entre deux grains solides et de suivre leur évolution, de suivre la diffusion dynamique d'éléments dans une matière molle ou encore de réaliser des mesures de température de structures complexes
comme les composants électroniques de puissance.
Lorsque les sondes sont fixées, l'étude de leurs positions et de l'évolution éventuelle de ces positions permet de mieux connaitre le milieu dans lequel elles sont fixées et les éventuels paramètres extérieurs
auxquels elles sont soumises.
En particulier, elle pourra être appliquée à la visualisation d'un gel colloïdal dont il sera possible d'acquérir une connaissance précise du comportement, par exemple lorsqu'il est soumis à une déformation homogène. On pourra de cette manière étudier la structure de suspension de silice floculée. En effet, par floculation puis concentration, il est possible de réaliser des agrégats de silice très réguliers et peu denses, composés de
- sphères de 50 nm de diamètre environ.
A cet effet, l'invention concerne un procédé de visualisation zo microscopique d'un objet tridimensionnel dans lequel l'échantillon est
visualisé au travers d'un interféromètre.
Selon l'invention, des sondes locales de dimensions nanométriques
sont introduites dans l'échantTilon.
Les sondes sont en grand nombre, on en trouve généralement de
1OO àplusieurs milliers dans le champ observé.
On a vu que ces sondes locales ou particules peuvent 8tre animées d'un mouvement dont l'analyse au cours du temps permet la réalisation d'images caractéristiques de l'objet. Ce mouvement peut être le mouvement brownien ou il peut étre généré en agissant sur les sondes, par
o exemple par effet magnétique ou électrique.
Les sondes sont de dimensions nanométriques, c'est-à-dire généralement inférieures à 200 nanomètres. Elles doivent diffuser la lumière. Ainsi, des sondes métalliques renvoyant une proportion importante de la lumière qu'elles reçoivent dans la direction opposée
donnent de bons résultats.
Dans différents modes de réalisation préférés présentant chacun leurs avantages spécifiques et susceptibles d'étre combinés ensemble: - les sondes locales sont des billes, - les sondes locales sont métalliques, l'interféromètre est un interféromètre de Michelson, - l'interféromètre est un interféromètre de Linnik, - l'interféromètre est un interféromètre de Mirau, - l'interféromètre comporte une source à spectre large, On appelle ici - source à spectre large - une source ayant une
longueur de cohérence de l'ordre d'un micromètre.
- la source délivre des impulsions lumineuses brèves, - des moyens optiques forment l'image d'une mince tranche de
l 'obj et sur un détecteur matriciel au travers de l 'interféromètre.
L'épaisseur de la tranche visualisée est de l'ordre de grandeur de la
longueur de cohérence de la source.
L'invention concerne également un dispositif de visualisation microscopique d'un objet tridimensionnel comportant: - un interféromètre, -.. - une source à spectre large, o - un capteur matriciel, - des moyens de formation de l'image d'une mince tranche de l 'obj et sur le capteur au travers de l 'interféromètre, - une unité de traitement de l' image produite par le capteur matriciel. . Selon l'invention, le dispositif comporte des moyens d'introduction
de sondes locales dans l'échantillon.
La source lumineuse est avantageusement une source
impulsionnelle qui permet de figer le mouvement éventuel des sondes.
Un mode de réalisation particulier de l'invention sera décrit en o détail en rétérence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation du dispositif de l'invention; - la figure 2 est une représentation de la répartition de l'énergie reçue permettant la localisation d'une sonde en profondeur; -la figure 3 est une représentation schématique permettant de
préciser la localisation latérale des sondes.
Sur la figure 1, l'échantillon a été représenté en perspective et désigné sous la rétérence la par rapport aux repères x, y, z puis vu de côté
la rétérence 1 par rapport au plan xz.
E'interféromètre 2 est un interféromètre de Michelson composé d'une lame semi-kansparente 3, d'un miroir de réLérence 4, d'une source lumineuse 5 et d'un capteur bidimensionnel 6 définissant deux bras: le
bras de mesure 7 et le bras de rétérence 8.
Selon l'invention, les sondes locales 9 ou billes sont introduites dans l'échantillon. I1 s'agit de particules de dimensions nanométriques dont la dimension moyenne est inférieure à 200 nm, de préférence
comprise entre 20 et 200 nm.
Ces sondes sont nombreuses, généralement de plusieurs milliers et
au moins d'une centaine dans le champ observé.
Le voxel étant l'unité de volume de l'objet résolu, on obtient de bons résultats lorsque les sondes sont en nombre suffsant pour qu'elles soient réparties dans le volume observé, mais aussi suffisamment faible
pour qu'en général, une sonde au plus soit présente dans un voxel.
Les sondes sont dans un milieu tel qu'un liquide, un gaz ou un gel.
Ce milieu doit étre transparent aux longueurs d'onde d'observation.
o Ces sondes 9 sont de préDérence des billes métalliques,
avantageusement en or ou en argent.
Elles sont animées d'un mouvement brownien tout en étant
contenues à l'intérieur d'un volume 10.
La source de lumière 5 est. avantageusement une source large
..........
impulsionnelle. La largeur ou la longueur de cohérence de la source détermine, entre autres, la résolution en profondeur. Une source
impulsionnelle permet de figer le mouvement éventuel des sondes 9.
Le dispositif permet ainsi d'acquérir, à un instant donné, la position
de chacune des sondes à l'intérieur de l'échantillon.
o En effet, l'image reçue par le capteur bidimensionnel 6, de préférence une caméra CCD (Charge Coupled Device) ou CMOS, fournit pour chaque sonde une image dont le positionnement dans le plan xy du capteur 6 est représenté sur les figures 3, 3B et 3C. A ce j our, des
détecteurs ayant 1000 x 1000 pixels sont courants.
La figure 3 représente les images de chacune des sondes par rapport au contour 10 de l'échantillon, la figure 3B est une représentation agrandie de l'une de ces images dont la position centrale est obtenue par traitement et ensuite positionnée dans le plan xy tel que représenté sur la figure 3C. La définition obtenue dans le plan xy dépend de la définition du capteur 6 et du traitement numérique effectué par l'unité de kaitement 11
pour obtenir la position centrale de chacune des sondes.
Le positionnement en profondeur est obtenu par les techniques interférométriques et représenté sur la figure 2. Le champ de mesure en profondeur est déterminé par la longueur de cohérence de la lumière 5 qui
est avantageusement faible.
Cette profondeur de champ est elle-même divisible par analyse de la phase, chacune des sondes 9 produisant une image de couleur différente selon sa position à l'intérieur du champ. Par ailleurs, il est possible de faire varier les positions relatives de l'échantillon et du miroir de rétérence, modifiant ainsi la position du champ, en profondeur, à
l'intérieur de l'échantillon.
Il est donc ainsi possible d'obtenir à chaque instant la visualisation
o kidimensionnelle des sondes à l'intérieur de l'éc-hantillon. Le cumul de-
ces informations variant en raison du mouvement brownien auquel sont soumises les sondes, permet d'obtenir par l'unité de traitement, le contour
tridimensionnel de l'échantillon.
La profondeur de champ est classiquement de l'ordre de 1 micron et l'on obtient, par analyse de la phase, une localisation des sondes dans l'espace avec une résolution de l'ordre d'une dizaine de nanomètres dans chacune des directions. De manière analogue, l'échantillonnage des taches de diffraction permet le repérage de leurs centres, caractéristiques des positions des sondes avec une précision améliorée. Les techniques o interférométriques mises en jeu permettent la visualisation de sondes de quelques dizaines de nanomètres de diamètre qui présentent l'équivalent d'un coefficient de réflexion d'environ 10-5 pour les longueurs d'onde visibles. Différents types d'interféromètre pourront 8ke utilisés alors que la
description faite plus haut met en _uvre un interféromèke de Michelson,
it est également possible d'utiliser un interféromètre de Linnik ou un
interféromètre de Mirau.
Claims (10)
1. Procédé de visualisation microscopique d'un objet tridimensionnel dans lequel l'échantillon (1) est visualisé au travers d'un interféromèke (2), caractérisé en ce que des sondes locales (9) de dimensions
nanométriques sont introduites dans l'échantillon (1).
2. Procédé de visualisation microscopique d'un objet tridimensionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sondes
locales (9) sont des billes.
3. Procédé de visualisation microscopique d'un objet tridimensionnel selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les
sondes locales (9) sont métalliques.
4.Procédé de visualisation microscopique d'un objet
tridimensionnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que l'interféromètre (2) est un interféromètre de Michelson.
5. Procédé de visualisation microscopique d'un objet
tridimensionnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que l'interféromètre (2) est un interféromètre de Linnik.
o
6. Procédé de visualisation microscopique d'un objet
tridimensionnel selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que l'interféromètre (2) est un interféromètre de Mirau.
7. Procédé de visualisation microscopique d'un objet
tridimensionnel selon l'une quelconque des revendications 4 à 6,
caractérisé en ce que l'interféromètre (2) comporte une source à specke
large (5).
8. Procédé de visualisation microscopique d'un objet - tridimensionnel selon la revendication 7, caractérisé en ce que la source
(5) délivre des impulsions lumineuses brèves.
so
9. Procédé de visualisation microscopique d'un objet
tridimensionnel selon lrune quelconque des revendications 1 à 7,
caractérisé en ce que des moyens optiques forment l'image d'une mince tranche de l'objet sur un détecteur matriciel (6) au travers de
l'interféromètre (2).
10. Dispositif de visualisation microscopique d'un objet tridimensionnel comportant: - un interféromètre (2), - une source à spectre large (5), un capteur matriciel (6), - des moyens de formation de l'image d'une mince tranche de l'objet sur le capteur (6) au travers de l'interféromètre (2), - une unité de traitement de l'image produite par le capteur matriciel (6)' o caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'introduction de
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