Une méthode d’imagerie de phase révolutionnaire, résistante au bruit de phase et efficace dans la pénombre, a été développée par des chercheurs internationaux. Cette technique, détaillée dans Avancées scientifiques, améliore les capacités d’imagerie dans des domaines allant de la recherche médicale à la préservation des œuvres d’art. (Concept de l’artiste.) Crédit : Issues.fr.com
La technique d’imagerie innovante d’inspiration quantique excelle dans des conditions de faible luminosité, offrant de nouvelles perspectives en matière d’imagerie médicale et de conservation des œuvres d’art.
Des chercheurs de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie, en collaboration avec des collègues de l’Université de Stanford et de l’Université d’État d’Oklahoma, ont introduit une méthode d’imagerie de phase d’inspiration quantique basée sur des mesures de corrélation d’intensité lumineuse robuste au bruit de phase. La nouvelle méthode d’imagerie peut fonctionner même avec un éclairage extrêmement faible et peut s’avérer utile dans des applications émergentes telles que l’imagerie interférométrique infrarouge et à rayons X et l’interférométrie quantique et à ondes de matière.
Révolutionner les techniques d’imagerie
Peu importe si vous prenez des photos d’un chat avec votre smartphone ou si vous imagez des cultures cellulaires avec un microscope avancé, vous le faites en mesurant l’intensité (luminosité) de la lumière pixel par pixel. La lumière se caractérise non seulement par son intensité mais aussi par sa phase. Il est intéressant de noter que les objets transparents peuvent devenir visibles si vous parvenez à mesurer le retard de phase de la lumière qu’ils introduisent.
La microscopie à contraste de phase, pour laquelle Frits Zernike a reçu un prix Nobel en 1953, a révolutionné l’imagerie biomédicale grâce à la possibilité d’obtenir des images à haute résolution de divers échantillons transparents et optiquement fins. Le domaine de recherche né de la découverte de Zernike comprend des techniques d’imagerie modernes telles que l’holographie numérique et l’imagerie de phase quantitative.
«Il permet une caractérisation quantitative et sans étiquette d’échantillons vivants, tels que des cultures cellulaires, et peut trouver des applications en neurobiologie ou dans la recherche sur le cancer», explique le Dr Radek Lapkiewicz, directeur du laboratoire d’imagerie quantique de la faculté de physique de l’université de Varsovie.
Imagerie de phase résistante au bruit avec corrélation d’intensité, Crédit : Faculté de physique, Université de Varsovie
Défis et innovations en imagerie de phase
Cependant, des améliorations sont encore possibles. « Par exemple, l’interférométrie, méthode de mesure standard permettant des mesures précises d’épaisseur en tout point de l’objet examiné, ne fonctionne que lorsque le système est stable, non soumis à des chocs ou des perturbations. Il est très difficile de réaliser un tel test, par exemple dans une voiture en mouvement ou sur une table tremblante », explique Jerzy Szuniewcz, doctorant à la Faculté de physique de l’Université de Varsovie.
Des chercheurs de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie, en collaboration avec des collègues de l’Université de Stanford et de l’Université d’État d’Oklahoma, ont décidé de s’attaquer à ce problème et de développer une nouvelle méthode d’imagerie de phase insensible à l’instabilité de phase. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans la prestigieuse revue Avancées scientifiques.
Retour à la vieille école
Comment les chercheurs ont-ils eu l’idée de cette nouvelle technique ? Déjà dans les années 60, Leonard Mandel et son groupe démontraient que même lorsque l’interférence n’est pas détectable en intensité, les corrélations peuvent révéler sa présence.
« Inspirés par les expériences classiques de Mandel, nous voulions étudier comment les mesures de corrélation d’intensité pouvaient être utilisées pour l’imagerie de phase », explique le Dr Lapkiewicz. Dans une mesure de corrélation, nous examinons des paires de pixels et observons s’ils deviennent simultanément plus clairs ou plus sombres.
« Nous avons montré que de telles mesures contiennent des informations supplémentaires qui ne peuvent être obtenues à partir d’une seule photo, à savoir la mesure de l’intensité. En utilisant ce fait, nous avons démontré qu’en microscopie de phase basée sur l’interférence, les observations sont possibles même lorsque les interférogrammes standards perdent en moyenne toutes les informations de phase et qu’aucune frange n’est enregistrée dans l’intensité.
« Avec une approche standard, on pourrait supposer qu’il n’y a aucune information utile dans une telle image. Cependant, il s’avère que l’information est cachée dans les corrélations et peut être récupérée en analysant plusieurs photos indépendantes d’un objet, ce qui nous permet d’obtenir des interférogrammes parfaits, même si l’interférence ordinaire est indétectable à cause du bruit », ajoute Lapkiewicz.
« Dans notre expérience, la lumière qui traverse un objet de phase (notre cible, que nous voulons étudier) est superposée à une lumière de référence. Un retard de phase aléatoire est introduit entre l’objet et les faisceaux lumineux de référence – ce retard de phase simule une perturbation obstruant les méthodes d’imagerie de phase standard.
« Par conséquent, aucune interférence n’est observée lorsque l’intensité est mesurée, c’est-à-dire qu’aucune information sur l’objet de phase ne peut être obtenue à partir des mesures d’intensité. Cependant, la corrélation intensité-intensité spatialement dépendante affiche un motif de franges qui contient les informations complètes sur l’objet de phase.
« Cette corrélation intensité-intensité n’est affectée par aucun bruit de phase temporelle variant plus lentement que la vitesse du détecteur (~ 10 nanosecondes dans l’expérience réalisée) et peut être mesurée en accumulant des données sur une période de temps arbitrairement longue – ce qui change la donne. – une mesure plus longue signifie plus de photons, ce qui se traduit par une précision», explique Jerzy Szuniewicz, le premier auteur de l’ouvrage.
En termes simples, si nous devions enregistrer une seule image de film, cette image unique ne nous donnerait aucune information utile sur l’apparence de l’objet étudié. « Par conséquent, nous avons d’abord enregistré toute une série de ces images à l’aide d’une caméra, puis avons multiplié les valeurs de mesure à chaque paire de points de chaque image. Nous avons fait la moyenne de ces corrélations et enregistré une image complète de notre objet », explique Jerzy Szuniewicz.
« Il existe de nombreuses façons possibles de récupérer le profil de phase d’un objet observé à partir d’une séquence d’images. Cependant, nous avons prouvé que notre méthode basée sur la corrélation intensité-intensité et une technique dite d’holographie hors axe offre une précision de reconstruction optimale », explique Stanislaw Kurdzialek, le deuxième auteur de l’article.
Une idée lumineuse pour les environnements sombres
Une approche d’imagerie de phase basée sur la corrélation d’intensité peut être largement utilisée dans des environnements très bruyants. La nouvelle méthode fonctionne à la fois avec la lumière classique (laser et thermique) et quantique. Il peut également être mis en œuvre dans le photon régime de comptage, par exemple utilisant des diodes à avalanche à photon unique. « Nous pouvons l’utiliser dans les cas où il y a peu de lumière disponible ou lorsque nous ne pouvons pas utiliser une intensité lumineuse élevée pour ne pas endommager l’objet, par exemple un échantillon biologique délicat ou une œuvre d’art », explique Jerzy Szuniewicz.
« Notre technique élargira les perspectives dans le domaine des mesures de phase, y compris les applications émergentes telles que l’imagerie infrarouge et à rayons X et l’interférométrie quantique et à ondes de matière », conclut le Dr Lapkiewicz.
Ce travail a été soutenu par la Fondation pour la science polonaise dans le cadre du projet FIRST TEAM « Mesures de corrélation de photons spatiotemporelles pour la métrologie quantique et la microscopie à super-résolution » cofinancé par l’Union européenne dans le cadre du Fonds européen de développement régional (POIR.04.04.00-00 -3004/17-00). Jerzy Szuniewicz reconnaît également le soutien du Centre national des sciences de Pologne, numéro de subvention 2022/45/N/ST2/04249. S. Kurdzialek reconnaît le soutien de la subvention n°2020/37/B/ST2/02134 du Centre national des sciences (Pologne). M.ahiri. reconnaît le soutien de l’Office of Naval Research des États-Unis sous le numéro d’attribution N00014-23-1-2778.
