Images cachées dans le bruit révélées par une méthode d'imagerie de phase d'inspiration quantique

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. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Avancées scientifiques.

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.

Cependant, des améliorations sont encore possibles. “Par exemple, l'interférométrie, une méthode de mesure standard pour 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 à des perturbations. Il est très difficile de réaliser un tel test, car par exemple, dans une voiture en mouvement ou sur une table qui tremble”, 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.

Retour à la vieille école

Comment les chercheurs ont-ils eu l’idée de cette nouvelle technique ? Déjà dans les années 1960, Leonard Mandel et son groupe avaient démontré que même lorsque l’intensité d’une interférence n’est pas détectable, les corrélations peuvent en révéler la 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 Lapkiewicz.

Lors d’une mesure de corrélation, ils ont examiné des paires de pixels et observé s’ils devenaient plus clairs ou plus sombres en même temps.

“Nous avons montré que de telles mesures contiennent des informations supplémentaires qui ne peuvent pas être obtenues à l'aide d'une seule photo, c'est-à-dire 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 font la moyenne de la perte totale de l'intensité. informations de phase et 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 permettant d'obtenir une image parfaite. interférogrammes, même si les interférences ordinaires sont indétectables 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 pas affectée par tout bruit de phase temporel variant plus lentement que la vitesse du détecteur (~ 10 nanosecondes dans le temps). expérience réalisée) et peuvent être mesurés 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 plus grande 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 Szuniewicz.

“Il existe de nombreuses manières 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 une corrélation intensité-intensité et une technique dite d'holographie hors axe permet d'obtenir une précision de reconstruction optimale.” » déclare Stanisław Kurdziałek, 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 régime de comptage de photons, par exemple en utilisant des diodes à avalanche de photons uniques. “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 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 Lapkiewicz.