Un processeur optique diffractif qui change la donne en imagerie 3D

Les vagues lumineuses, lorsqu’elles se propagent à travers un milieu, subissent un retard temporel. Ce retard peut révéler des informations cruciales sur les caractéristiques structurelles et compositionnelles sous-jacentes. L’imagerie de phase quantitative (QPI) est une technique optique de pointe qui dévoile les variations de longueur de chemin optique lorsque la lumière traverse des échantillons biologiques, des matériaux et d’autres structures transparentes.

Contrairement aux méthodes d’imagerie traditionnelles qui reposent sur la coloration ou le marquage, la QPI permet aux chercheurs de visualiser et de quantifier les variations de phase en générant des images à fort contraste, essentielles pour des investigations non invasives dans des domaines tels que la biologie, la science des matériaux et l’ingénierie.

Nouvelle approche de l’imagerie de phase quantitative 3D

Une étude récente présente une approche innovante de la QPI 3D utilisant un processeur optique diffractif multiplexé en longueur d’onde. Développée par des chercheurs de l’Université de Californie, Los Angeles (UCLA), cette méthode offre une solution efficace à un goulot d’étranglement posé par les méthodes traditionnelles de QPI 3D, souvent longues et intensives en calcul.

Le processeur optique diffractif multiplexé en longueur d’onde, conçu par l’équipe de l’UCLA, transforme optiquement les distributions de phase de multiples objets 2D à différentes positions axiales en motifs d’intensité, chacun encodé sur un canal de longueur d’onde unique. Cette conception permet de capturer des images de phase quantitatives d’objets situés à différents plans axiaux en utilisant un capteur d’image uniquement sensible à l’intensité, éliminant ainsi le besoin d’algorithmes de récupération de phase numérique.

Avantages pour l’imagerie biomédicale et la détection

«Nous sommes enthousiasmés par le potentiel de cette nouvelle approche pour l’imagerie biomédicale et la détection,» a indiqué Aydogan Ozcan, chercheur principal et professeur à UCLA. «Notre processeur optique diffractif multiplexé en longueur d’onde offre une solution novatrice pour l’imagerie à haute résolution et sans marquage des spécimens transparents, ce qui pourrait grandement bénéficier aux applications de microscopie biomédicale, de détection et de diagnostic.»

Le design innovant de la QPI multiplan intègre le multiplexage en longueur d’onde et des éléments optiques diffractifs passifs optimisés collectivement à l’aide de l’apprentissage profond. En réalisant des transformations de phase en intensité spectrales multiplexées, cette conception permet une imagerie de phase quantitative rapide des spécimens à travers plusieurs plans axiaux. La compacité du système et sa capacité de récupération de phase entièrement optique en font une alternative analogique compétitive aux méthodes traditionnelles de QPI numérique.

Expérimentation et implications futures

Une expérience de preuve de concept a validé l’approche, démontrant l’imagerie réussie d’objets de phase distincts à différentes positions axiales dans le spectre térahertz.

La nature évolutive de la conception permet également une adaptation à différentes parties du spectre électromagnétique, y compris les bandes visibles et IR, en utilisant des méthodes de nanofabrication appropriées, ouvrant la voie à de nouvelles solutions d’imagerie de phase intégrées avec des réseaux de plans focaux ou des réseaux de capteurs d’image pour des dispositifs d’imagerie et de détection sur puce efficaces.

Cette recherche a des implications significatives pour divers domaines, y compris l’imagerie biomédicale, la détection, la science des matériaux et l’analyse environnementale. En fournissant une méthode plus rapide et plus efficace pour la QPI 3D, cette technologie est en mesure d’améliorer le diagnostic et l’étude des maladies, la caractérisation des matériaux et la surveillance des échantillons environnementaux, entre autres applications.

Légende illustration : Représentation artistique d’un processeur optique diffractif multiplexé en longueur d’onde pour l’imagerie de phase quantitative en 3D. Crédit : Ozcan Lab @ UCLA

Article original en libre accès de C. Shen et al, « Multiplane quantitative phase imaging using a wavelength-multiplexed diffractive optical processor, » Adv. Photon. 6(5), 056003 (2024), DOI 10.1117/1.AP.6.5.056003