CE42 - Capteurs, instrumentation

Détection de phase multiplexée pour la métrologie et l'imagerie – MaxPhase

MaxPhase - Détection de phase multiplexée pour la métrologie et l'imagerie

Le projet MaxPhase propose le développement de systèmes de mesure et d'imagerie de phase, basés sur une approche originale tirant profit des caractéristiques uniques de la figure de speckle issue d'un diffuseur, permettant de réaliser une mesure multiplexée de phase à haute résolution spatiale, à l'aide d'instruments à coût réduit, pour usage en métrologie et imagerie.

Vers la mesure spatio-spectral et l'imagerie 3D de phase instantanée à haute résolution

La mesure de phase est essentielle en métrologie et imagerie, en particulier lorsqu'elle permet un usage in-situ, à haute sensibilité, sans contact. Les interféromètres et analyseurs de front d'onde offrent une combinaison de résolution, dynamique et précision répondant actuellement à nombre de besoins. Cependant, les avancées récentes relatives à la fabrication d'optiques complexes ou aux lasers ultra-brefs requièrent de meilleures performances spatio-spectrales. En biologie, le besoin d'analyse cellulaire non-invasive à haute cadence requiert de nouveaux instruments d'imagerie de phase quantitative 3D, compacts et rapides. Pour répondre à ces limites, le projet MaxPhase propose de développer de nouvelles méthodes de mesure et d'imagerie de phase permettant une mesure multiplexée de plusieurs fronts d'onde en une acquisition. L'approche est basée sur l'exploitation de figures de speckle issues de diffuseurs spécifiques, et représente un premier pas vers de futurs systèmes commerciaux.

Lorsque plusieurs fronts d'onde issus de différentes sources, à différentes longueurs d'onde, sont superposés, les analyseurs de front d'onde actuels mesurent un front d'onde moyen partiellement dénué de sens, toute reconstruction différenciée étant impossible. Nous avons proposé récemment une implémentation originale simple, à faible coût, d'analyseur de front d'onde basé les propriétés spécifiques d'un milieu diffusant tel qu'un diffuseur fin. Lorsqu'il traverse un diffuseur, un front d'onde crée sur une caméra une figure de speckle contenant une information à forte densité spatiale. De plus, une figure de speckle contient une signature spatiale et spectrale unique, permettant d'envisager la détection simultanée de plusieurs fronts d'onde. Une figure de speckle peut ainsi rendre possible une mesure de front d'onde à haute résolution spatiale résolution spectralement.
Nous proposons de développer, valider et commercialiser des analyseurs et imageurs de front d'onde à haute résolution basés sur 2 propriétés ajustables d'une figure de speckle:
- un diffuseur fin possède un effet mémoire créant un simple décalage d'une figure de speckle lorsqu'un tilt est induit sur le front d'onde. Mesurer le décalage locale du speckle donne accès eu gradient local du front d'onde.
- Puisque la figure de speckle résulte de l'interférence de nombreuses ondes, elle dépend fortement de la longueur d'onde incidente.
Le projet MaxPhase vise à exploiter ces deux propriétés en même temps de manière à disposer d'un analyseur/imageur de front d'onde fournissant à la fois une information spatiale et spectrale.

A date, le projet MaxPhase a permis:
- de mettre en place des algorithmes de reconstruction multiplexée de phase, optimisés en terme de résolution spatiale, de précision et de temps de mesure, fournissant une visualisation de carte de phase à des fréquences de plusieurs dizaines de Hz sur la base de caméras à 4 kPixels.
- d'effectuer les premières démonstrations de mesure de phase multiplexée résolues spatialement et spectralement à partir d'une unique acquisition.
- de mettre en place un nouveau microscope de phase quantitative utilisant un analyseur de front d'onde basé sur un diffuseur pour l'imagerie et la qualification de cellules à haut débit.

Les développements technologiques du projet permettent de cibler de nombreuses opportunités à la fois scientifiques et industrielles:
- en métrologie optique: développer et mettre sur le marché des analyseurs de front à moindre coût, à haute résolution, pour la métrologie d'optiques complexes
- dans le domaine des lasers: de développer et de valider la capacité de la technologie à caractériser le couplage spatio-spectral pour les lasers intenses, en une acquisition
- dans le domaine de la biologie: fournir aux plateformes de biologie un module abordable, simple d'utilisation et versatile pour l'imagerie sans marquage de cellules à haut débit

A date, le projet n'a pas encore donné lieu à des publications scientifiques. 6 présentations ont été effectuées lors de conférences.

La mesure de phase est essentielle en métrologie et imagerie, en particulier lorsqu'elle permet un usage in-situ, à haute sensibilité, sans contact. Les interféromètres et analyseurs de front d'onde offrent une combinaison de résolution, dynamique et précision répondant actuellement à nombre de besoins. Cependant, les avancées récentes relatives à la fabrication d'optiques complexes ou aux lasers ultra-brefs requièrent de meilleures performances spatio-spectrales. En biologie, le besoin d'analyse cellulaire non-invasive à haute cadence requiert de nouveaux instruments d'imagerie de phase quantitative 3D, compacts et rapides. Pour répondre à ces limites, le projet MaxPhase propose de développer de nouvelles méthodes de mesure et d'imagerie de phase permettant une mesure multiplexée de plusieurs fronts d'onde en une acquisition. L'approche est basée sur l'exploitation de figures de speckle issues de diffuseurs spécifiques, et représente un premier pas vers de futurs systèmes commerciaux.

Coordination du projet

Fabrice Harms (IMAGINE OPTIC)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UParis - SPPIN Saints-Pères Paris Institute for the Neurosciences
IO IMAGINE OPTIC
IdV Institut de la vision
LULI Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses

Aide de l'ANR 623 929 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2020 - 36 Mois

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