Nous avons vu dans les paragraphes précédents les principales applications de la microscopie interférométrique en lumière blanche, que ce soit pour réaliser des mesures de topographie de surfaces, d’épaisseur ou bien pour l’imagerie tomographique. A travers la technique de S-OCT, nous avons vu que l’analyse fréquentielle des signaux interférométriques pouvait permettre d’extraire des informations spectroscopiques locales sur les structures d’un échantillon. Bien que cette méthode délivre une donnée spectrale, l’information obtenue reste générale et ne permet pas la reconstruction complète du spectre de l’échantillon.
Il est néanmoins possible de mesurer le spectre complet d’un échantillon à partir d’une mesure interférométrique (mesure FF-OCT). Dans ce cas-là, au lieu de s’intéresser à l’enveloppe des signaux d’interférences dont l’extraction conduit à faire de l’imagerie, le procédé consiste à appliquer une transformée de Fourier au signal interférométrique. Ceci permet de retrouver le spectre de la source
configuration OCT plein champ, cette méthode fut utilisée pour mesurer localement les spectres de transmissions de monocouches absorbantes (Latour et al., 2010) et les spectres de réflexions de matériaux fortement réfléchissant (Morin and Frigerio, 2012). Nous verrons dans le chapitre 3, la théorie sous-jacente permettant d’extraire de tels spectres, ainsi que la nécessité d’effectuer une étape précise de calibration du système optique avant toute mesure spectrale.
Figure 1-17 Types d’analyses en fonction du traitement appliqué au signal OCT (image tirée de (Morin, 2012)).
L’utilisation des technologies OCT pour faire de la caractérisation spectrale s’est très fortement accrue ces dernières années, notamment en raison des propriétés de haute résolution spatiale de ces systèmes. On note principalement dans la littérature une utilisation abondante des configurations FD-OCT (« Fourier-Domain Low Coherence Interferometry »), basées sur l’acquisition du signal par un spectromètre imageur.
Ce système fut notamment associé à la technique de spectroscopie basée sur la diffusion de la lumière (LSS « Light Scattering Spectroscopy »), dans le but de mesurer des particules dont la taille varie typiquement entre ⁄ et . La technique LSS permet d’exploiter les propriétés de diffusion élastique de la lumière par des microparticules afin d’en déduire leurs tailles. Dans cette optique, Liu et al. avaient développé un système de microscopie utilisant un spectromètre imageur permettant d’effectuer simultanément l’acquisition d’images microscopiques et de spectres de diffusion (Liu et al., 2005). La mesure des spectres est alors utilisée pour remonter aux propriétés des structures diffusantes. Cependant, ces spectres sont uniquement résolus latéralement, avec une résolution limitée par la diffraction du système optique. Un moyen de produire une mesure spectrale, qui est à la fois résolue latéralement et axialement, est de combiner la méthode à l’interférométrie faiblement cohérente comme démontré par Ji et al. (Ji et al., 2009). Les mesures spectrales sont obtenues à l’aide d’un système FD-OCT et d’une méthode de traitement originale. Cette méthode consiste à appliquer une transformée de Fourier inverse au spectre de rétrodiffusion, suivie d’une transformée de Fourier à fenêtre glissante qui permet de sélectionner la position Z où est effectuée la mesure.
Le couplage de la LSS à l’interférométrie faiblement incohérente s’explique également par la capacité des méthodes interférométriques à « isoler » la lumière diffusée une unique fois à l’intérieur d’un milieu diffusant (comme les tissus vivants). Cette propriété est cruciale dans le domaine médical, où la mesure de la morphologie cellulaire nécessite de pouvoir distinguer la lumière diffusée une seule fois (diffusion simple) de la lumière diffusée une multitude de fois (lumière diffuse). En effet, la lumière
diffuse transporte une information sur les diffuseurs qui est très difficilement accessible. Basée sur la combinaison des deux méthodes, on note dans la littérature différentes recherches dédiées à la détermination de la taille de diffuseurs, que ce soit par la mesure de l’intensité diffusée en fonction de l’angle de diffusion (Wax et al., 2001), ou en fonction de la longueur d’onde (Wax et al., 2003). Les systèmes employés travaillent dans le domaine fréquentiel, c’est-à-dire que le signal est recueilli en fonction de la longueur d’onde à l’aide d’un analyseur de spectre. Pour la méthode basée sur la mesure de l’intensité diffusée en fonction de l’angle de diffusion, les algorithmes utilisés pour remonter aux dimensions des particules diffusantes supposent que celles-ci puissent être décrites comme des diffuseurs de « Mie » et comparent alors les données expérimentales aux résultats prédits par la théorie de Mie (Pyhtila et al., 2003). Cette théorie modélise l’interférence entre les champs cohérents réfléchis par les faces avant et arrière de la sphère diffusante. Afin de rester dans les mêmes conditions que cette dernière, il est nécessaire que la différence de chemin optique due à la traversée de la bille soit inférieure à la longueur de cohérence de la source. Autrement, les champs ne peuvent pas interférer. Cela explique l’utilisation de sources lumineuses de faible largeur spectrale (donc de grande longueur de cohérence) dans les systèmes aLCI (« angle-resolved Low Coherence Interferometry ») (Pyhtila and Wax, 2004; Pyhtila et al., 2003, 2006). L’agencement du dispositif expérimental permet de récupérer des images dont les dimensions sont l’angle de diffusion et la longueur d’onde. Ainsi, après un traitement approprié des données (interpolation du spectre dans le domaine des nombres d’ondes à chaque angle, puis transformée de Fourier 1D du spectre à chaque angle), il est possible d’obtenir une cartographie de la diffusion angulaire en fonction de la différence de chemin optique. Ensuite, les intensités de diffusion à un angle donné peuvent être extraites. Ces distributions d’intensités de diffusions angulaires sont donc résolues en profondeur (figure 1-18).
Figure 1-18 (a) Cartographie de la diffusion angulaire d’un ensemble de billes de polystyrène de 12 µm en
suspension dans une solution composée de 80% d’eau et de 20% de glycérol. La solution est recouverte d’une lamelle d’environ 140 µm d’épaisseur (Pyhtila et al., 2006). Les zones claires indiquent une augmentation de l’intensité diffusée. (b) Coupe transversale montrant la distribution angulaire de l’intensité à environ OPL = 1 mm. Les données sont comparées aux résultats prédits par la théorie de Mie.
Cependant, en raison de la disposition du système optique et au traitement appliqué au signal acquis, l’information de résolution latérale est perdue. Il n’est alors plus possible de distinguer les réponses
le même volume imagé. De plus, Xu et al. ont montré que, lorsque différents diffuseurs se situent dans la zone de mesure, des effets dramatiques sur la modulation du spectre étaient observés, résultant en une analyse spectrale beaucoup plus compliquée (Xu et al., 2005). Les systèmes présentés ne sont donc pas résolus latéralement. En effet, dans les travaux cités précédemment, la caractérisation des microsphères s’effectue par l’analyse d’échantillons homogènes, c’est à dire contenant un ensemble de diffuseurs possédant les mêmes propriétés (en ce qui concerne la taille et le type de matériau).
Ces techniques de caractérisations spectrales sont utilisées dans de nombreux secteurs et présentent beaucoup d’intérêt que ce soit en sciences des matériaux, en biologie, en imagerie médicale ou dans le domaine de l’art pour la classification des pigments de couches picturales.