Des chercheurs ont développé un microscope holographique numérique portable basé sur un smartphone. L’appareil permet d’effectuer des mesures 3D précises et pourrait rendre accessible à un plus large public des applications comme le diagnostic médical dans des régions aux ressources limitées. L’innovation réside dans la simplicité du système optique et l’utilisation du smartphone pour les calculs complexes.
La microscopie holographique : voir l’invisible en 3D
Les microscopes holographiques reconstruisent numériquement des hologrammes pour obtenir des informations 3D détaillées sur un échantillon. Ils permettent ainsi de mesurer avec précision la surface et les structures internes de l’échantillon. Jusqu’à présent, les microscopes nécessitaient des systèmes optiques complexes et un ordinateur pour les calculs, limitant leur portabilité.
L’équipe de recherche dirigée par Yuki Nagahama de l’Université d’Agriculture et de Technologie de Tokyo a conçu un microscope holographique numérique utilisant un système optique simple créé avec une imprimante 3D et un smartphone pour les calculs. L’approche rend l’appareil abordable et portable.
Une innovation qui allie simplicité et puissance du smartphone
Jusqu’à présent, ces microscopes holographiques étaient encombrants, coûteux et complexes à utiliser. La nouvelle invention de l’équipe dirigée par Yuki Nagahama de l’Université d’Agriculture et de Technologie de Tokyo change la donne en rendant cette technologie accessible à tous.
Le système se compose de trois éléments clés :
1. Un boîtier léger imprimé en 3D qui contient le système optique.
2. Une application Android qui traite les données et reconstruit les images en temps réel.
3. L’écran tactile du smartphone qui permet de zoomer et d’interagir avec l’image 3D.
« Notre microscope holographique utilise un système optique simple créé avec une imprimante 3D et un système de calcul basé sur un smartphone« , explique Nagahama. « Cela le rend peu coûteux, portable et utile pour une variété d’applications et de contextes.«
Des applications potentielles variées
Le professeur Nagahama à l’origine du projet souligne les applications potentielles : « Notre système de microscope holographique pourrait être utile pour des applications médicales, comme le diagnostic de la drépanocytose dans les pays en développement. Il pourrait également être utilisé pour la recherche dans divers environnements de terrain ou dans l’éducation, en permettant aux étudiants d’observer des organismes vivants à l’école et à la maison.«
Les scientifiques prévoient maintenant d’utiliser l’apprentissage profond pour améliorer la qualité des images générées par le microscope basé sur smartphone. Ils explorent notamment comment l’apprentissage profond pourrait être utilisé pour supprimer les images parasites générées lors de la reconstruction des hologrammes.
L’avancée dans le domaine de la microscopie holographique numérique ouvre de nouvelles possibilités pour l’observation et la mesure d’échantillons en 3D dans des contextes variés, de la recherche scientifique à l’éducation en passant par le diagnostic médical.
Le fonctionnement : une prouesse technologique miniaturisée
La clé de l’innovation réside dans la méthode de calcul utilisée, qui permet de traiter les données plus rapidement, même sur un smartphone aux capacités de calcul limitées. Le processus de capture et de visualisation des images holographiques se déroule en trois étapes principales :
1. Capture de l’hologramme
2. Reconstruction numérique
3. Visualisation interactive
Le microscope capture le motif d’interférence entre un faisceau de référence et la lumière diffusée par l’échantillon. L’hologramme est ensuite reconstruit numériquement pour générer des informations 3D sur les caractéristiques de l’échantillon, y compris sous sa surface.
Pour permettre une reconstruction rapide sur smartphone malgré les capacités de calcul limitées, les chercheurs ont utilisé une méthode appelée « diffraction de Fresnel à double étape à bande limitée ». L’approche réduit le nombre de points de données, accélérant ainsi la reconstruction de l’image.
« Au début de ma carrière, je travaillais sur des microscopes holographiques numériques portables utilisant des ordinateurs portables. L’essor des smartphones m’a poussé à explorer leur potentiel comme systèmes de calcul pour des applications plus larges. » précise encore le professeur Nagahama.
Un dispositif portable et facile d’utilisation
Les chercheurs ont créé un boîtier léger pour le système optique à l’aide d’une imprimante 3D. Ils ont également développé une application Android pour reconstruire les hologrammes acquis par le système optique.
Le microscope génère une image reconstruite de l’hologramme sur le capteur d’image d’une caméra USB intégrée au système optique. L’hologramme peut être observé par le smartphone Android, qui effectue la reconstruction de l’image en temps réel. L’hologramme reconstruit est ensuite affiché sur le smartphone, où les utilisateurs peuvent interagir avec lui via l’écran tactile.
Des performances impressionnantes malgré la miniaturisation
Les chercheurs ont évalué leur nouveau système de microscopie en utilisant un objet préparé avec un motif connu. Ils ont réussi à observer avec précision le motif sur la cible de test et ont également utilisé le microscope pour imager d’autres échantillons, comme une coupe transversale d’une aiguille de pin.
L’équipe a démontré que la méthode de diffraction de Fresnel à double étape à bande limitée permettait de reconstruire les hologrammes à une vitesse allant jusqu’à 1,92 images par seconde. Cela permet d’afficher les images en quasi temps réel lors de l’observation d’objets stationnaires.
L’équipe ne compte pas s’arrêter là et explore déjà des pistes pour améliorer encore les performances de leur invention : « Nous prévoyons d’utiliser l’apprentissage profond pour améliorer la qualité des images générées par le microscope basé sur smartphone« , ajoute pour finir Yuki Nagahama. Cette approche utilisant l’intelligence artificielle pourrait notamment aider à éliminer les images parasites qui apparaissent parfois lors de la reconstruction des hologrammes, améliorant ainsi la clarté et la précision des observations.
Focus sur l’holographie
L’holographie, technique de capture et de restitution d’images en trois dimensions, est au cœur du microscope portable développé par les chercheurs japonais. Les principes fondamentaux de cette technologie sont les suivants:
Qu’est-ce que l’holographie ?
L’holographie est une méthode d’enregistrement et de restitution des ondes lumineuses, permettant de reproduire une image en trois dimensions d’un objet. Contrairement à la photographie classique qui ne capture que l’intensité de la lumière, l’holographie enregistre à la fois l’amplitude et la phase des ondes lumineuses, préservant ainsi toutes les informations spatiales de l’objet observé.
Le principe de base de l’holographie
1. Enregistrement de l’hologramme :
- Un faisceau laser est divisé en deux : un faisceau de référence et un faisceau d’éclairage.
- Le faisceau d’éclairage illumine l’objet et est diffusé par celui-ci.
- Les ondes diffusées interfèrent avec le faisceau de référence, créant un motif d’interférence.
- Ce motif est enregistré sur un support photosensible ou un capteur numérique.
2. Reconstruction de l’image :
- L’hologramme est éclairé par un faisceau similaire au faisceau de référence original.
- La diffraction de la lumière à travers l’hologramme recrée l’onde lumineuse originale de l’objet.
- L’observateur perçoit une image en 3D de l’objet, avec tous ses détails et sa profondeur.
Pour une meilleure compréhension
1. Comment ce microscope holographique portable diffère-t-il des microscopes traditionnels ?
Le microscope holographique portable capture des informations en 3D, contrairement aux microscopes traditionnels qui fournissent des images en 2D. Il utilise un smartphone pour le traitement et l’affichage des images, ce qui le rend plus compact et accessible. De plus, il permet une visualisation interactive des échantillons grâce à l’écran tactile du smartphone.
2. Quels types d’échantillons peut-on observer avec ce microscope ?
Ce microscope est polyvalent et peut observer une variété d’échantillons, notamment des cellules sanguines, des tissus végétaux (comme une coupe d’aiguille de pin), et des micro-organismes. Il est particulièrement utile pour les échantillons biologiques et médicaux, ainsi que pour l’observation de petits objets en 3D.
3. Quelle est la résolution maximale que ce microscope peut atteindre ?
Bien que la résolution exacte puisse varier en fonction des conditions d’utilisation, ce microscope holographique portable peut atteindre une résolution suffisante pour observer des détails cellulaires et des structures microscopiques. Les chercheurs travaillent continuellement à l’amélioration de la résolution grâce à des techniques avancées de traitement d’image.
4. Ce microscope peut-il être utilisé pour le diagnostic médical dans les pays en développement ?
Oui, c’est l’un des objectifs principaux de cette innovation. Le microscope holographique portable pourrait être utilisé pour diagnostiquer des maladies comme la drépanocytose dans les régions à ressources limitées. Sa portabilité et son coût relativement faible en font un outil prometteur pour améliorer l’accès aux soins de santé dans les zones mal desservies.
5. Comment les chercheurs prévoient-ils d’améliorer ce microscope à l’avenir ?
Les chercheurs envisagent d’intégrer des techniques d’apprentissage profond pour améliorer la qualité des images générées. Cette approche utilisant l’intelligence artificielle pourrait aider à éliminer les artefacts et à augmenter la clarté et la précision des observations. De plus, ils travaillent probablement sur l’optimisation de la vitesse de traitement et l’extension de la gamme d’applications possibles.
Pour en savoir plus :
– Article : Y. Nagahama, « Interactive zoom display in smartphone-based digital holographic microscope for 3D imaging, » Applied Optics, 2024. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.532972
