LESIA - Observatoire de Paris

Banc de couplage OA-OCT développé au LESIA

mercredi 7 novembre 2012, par Marie Glanc et Marie Blavier

Principe de l’OCT plein champ

La tomographie par cohérence optique est une méthode d’imagerie interférométrique à faible longueur de cohérence. L’échantillon à imager est placé dans l’un des deux bras d’un interféromètre, tandis qu’un miroir de référence est mis dans le second bras. Des interférences sont observées à la sortie de l’interféromètre entre la lumière réfléchie par la référence et celle rétrodiffusée par une couche de l’échantillon située à une profondeur précise, déterminée par l’égalité optique des longueurs des bras de l’interféromètre (à la demi-longueur de cohérence de la source près). En détectant ces interférences, une image en coupe est directement obtenue dans l’échantillon.

Principe de l'OCT, basée sur l'interférométrie à faible longueur de (...)
Principe de l’OCT, basée sur l’interférométrie à faible longueur de cohérence.

L’enveloppe des franges d’interférence (entre une référence et l’échantillon) donne directement l’image des structures de l’échantillon et permet de les localiser en profondeur, à la demi-longueur de cohérence de la source près.

Généralement, les imageurs OCT reconstruisent des coupes 2D par acquisition point par point et balayage. L’OCT plein champ consiste au contraire à acquérir les images interférométriques directement en 2D avec une caméra CCD ; les balayages transversaux en X et en Y sont donc éliminés. En balayant en profondeur par translation en Z de la référence (variation de la longueur des bras de l’interféromètre), une pile d’images en coupes à différentes profondeurs est acquise et la structure tridimensionnelle de l’échantillon est reconstruite.

Principe expérimental de reconstruction d’images tomographiques mis en place au LESIA

Pour reconstruire une coupe dans un échantillon en OCT plein champ, 4 images interférométriques déphasées de π/2 sont nécessaires.

Reconstrution d'une coupe en OCT plein champ.
Reconstrution d’une coupe en OCT plein champ.

A gauche : quatre images interférométriques déphasées de π/2 obtenues avec un miroir incliné comme échantillon. A droite : une coupe tomographique du miroir incliné est obtenue par combinaison de ces quatre images.

Classiquement, le moyen le plus simple est d’acquérir ces 4 images temporellement l’une après l’autre, en modulant la position du miroir de référence. Cependant, à cause des mouvements rapides de l’oeil, il faut dans le cadre du projet OEIL acquérir simultanément ces 4 images. La nouveauté de l’instrument développé au LESIA est l’utilisation de la polarisation de la lumière pour créer en sortie de l’interféromètre 4 faisceaux déphasés de π/2 simultanément détectés par la caméra CCD. Un des composants optiques utilisés est un prisme de Wollaston qui a la faculté, dans une configuration précise, de créer, à partir d’un faisceau d’entrée, deux faisceaux déviés verticalement et déphasés de π. Un cube séparateur de faisceaux et une lame quart d’onde complètent entre autres le montage pour fournir les 4 faisceaux déphasés de π/2.

Schéma simplifié de la première version du montage d'OCT plein champ seule (...)
Schéma simplifié de la première version du montage d’OCT plein champ seule (sans OA) développé au LESIA, dédié à l’imagerie d’échantillons fixes. Acquisition simultanée des quatre images déphasées.

La caméra CCD acquiert en une seule fois les quatre images interférométriques (...)
La caméra CCD acquiert en une seule fois les quatre images interférométriques (ici avec un miroir pour échantillon) déphasées de π/2.

Afin d’imager la rétine à haute résolution dans les trois dimensions, le système repose sur le couplage des techniques d’OA et d’OCT plein champ, afin de bénéficier de la résolution transverse de l’OA et de la résolution axiale en profondeur de l’OCT.

Instrument d’OCT plein champ : résultats et images

Dans un premier temps, avant de coupler l’OA et l’OCT, un prototype d’OCT seule (sans OA) est développé au LESIA. Il s’agit de tester l’OCT plein champ sur un grand nombre d’échantillons de plus en plus complexes, afin de se rapprocher des conditions d’imagerie dans l’œil. Il faut pour cela mettre en place une procédure de reconstruction des coupes. En effet, la détection des interférences pour obtenir une coupe tomographique nécessite de soustraire les images interférométriques entre elles pixel à pixel. Cela requiert un recentrage subpixelique ainsi que des calibrations en intensité et en aberrations différentielles entre les images.

Banc de tomographie par cohérence optique plein champ développé au LESIA dans (...)
Banc de tomographie par cohérence optique plein champ développé au LESIA dans le cadre du projet OEIL.

Des premiers résultats ont été obtenus en reconstruisant en trois dimensions la structure d’un échantillon en forme d’escalier. Celui-ci est dans un plastique très peu réfléchissant (signal de retour faible) et présente 7 marches de 2 mm de long par 150 microns de large. La différence de hauteur entre chaque marche est de 5 µm.

Images acquises et reconstruites sur un échantillon en escalier.
Images acquises et reconstruites sur un échantillon en escalier.

En haut à gauche : une des quatre images interférométriques acquises par la caméra CCD ; toutes les marches de l’escalier sont visibles (dans le carré rouge), il n’y a pas l’information en profondeur sans traitement OCT. En haut à droite : une coupe tomographique à une profondeur donnée (reconstruite à partir des quatre images interférométriques) ; on y voit la marche dont la profondeur est à l’égalité optique entre les bras de l’interféromètre, ainsi que les deux marches voisines de part et d’autre, plus faibles, dont la profondeur est dans la longeur de cohérence de la source. En bas : recontruction en 3D de l’escalier à partir d’une pile de 40 coupes tomographiques acquises tous les microns.

Des images de rétines explantées de rat, entre lame et lamelle, ont été obtenues sur le banc d’OCT plein champ seule. Après acquisition d’une pile d’images en-face (en XY), n’importe quelle coupe axiale (XZ ou YZ) peut être extraite des données.

Coupes axiales d'une rétine explantée de rat entre lame et lamelle.
Coupes axiales d’une rétine explantée de rat entre lame et lamelle.

Instrument couplé OA+OCT en cours de développement au LESIA

Après validation de principes liés à l’OCT et à la reconstruction des images tomographiques, le système couplant OA et OCT plein champ a été mis à jour dans sa conception par rapport à la version initiale, puis aligné et intégré. Il comprend une centaine d’optiques, ainsi qu’une source et une caméra d’imagerie 3D, 3 platines motorisées pour balayer l’échantillon en profondeur et gérer les amétropies, une boucle d’OA (source, miroir déformable, analyseur de front d’onde) et une caméra d’imagerie 2D. Il est actuellement en cours d’exploitation au LESIA.

Banc d'imagerie 3D de la rétine couplant OA et OCT plein champ.
Banc d’imagerie 3D de la rétine couplant OA et OCT plein champ.

La résolution en profondeur de l’instrument est de trois à quatre microns. Celle-ci est mesurée par la largeur d’une coupe sur un miroir. Elle permet de séparer optiquement les marches d’un escalier hautes de cinq microns.

Coupe d'un miroir - L'enveloppe de la reconstruction tomographique donne la (...)
Coupe d’un miroir - L’enveloppe de la reconstruction tomographique donne la résolution en profondeur.

Reconstruction d'un escalier dont la hauteur des marches est de cinq (...)
Reconstruction d’un escalier dont la hauteur des marches est de cinq microns.

Des images de rétines de porc ex vivo ont été obtenues. On observe à différentes profondeurs des vaisseaux sanguins et des photorécepteurs.

Imagerie en profondeur dans une rétine de porc ex vivo.
Imagerie en profondeur dans une rétine de porc ex vivo.

Images tomographiques reconstruites à deux profondeurs dans une rétine de (...)
Images tomographiques reconstruites à deux profondeurs dans une rétine de porc ex vivo.

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