Imagerie tri-dimensionnelle avancée de systèmes complexes de particules – ATICS

L'holographie numérique en ligne (DIH pour ’Digital Inline Holography’) est une technique d'imagerie cohérente 3D en plein essor. Avec un dispositif optique simple, compact et peu coûteux, elle a le potentiel de fournir, avec une grande profondeur de champ et des capacités multi-échelles inégalées, des informations détaillées sur des objets de forme complexe et de faible contraste, de l'ordre du micromètre au millimètre.
Le projet ATICS (Imagerie tri-dimensionnelle avancée de systèmes particulaires complexes) est un projet de recherche collaboratif d’une durée de quatre ans, mené par quatre laboratoires universitaires, du CNRS, de grandes écoles et du CEA. Son objectif principal est de développer un ensemble d'outils et de méthodes avancées pour la modélisation et la reconstruction d’hologrammes, afin de décupler les capacités pratiques de l'imagerie tridimensionnelle par DIH. Ceci pour permettre la caractérisation in situ de la dynamique 3D, de la forme, de la taille et de la composition des milieux particulaires et biologiques rencontrés dans les recherches d'aujourd'hui, à fort impact sociétal, comme le recyclage, le traitement des matériaux, l'imagerie biologique et les thérapies par ultrasons.
Grâce à l'expertise et à la complémentarité des partenaires, tous les aspects scientifiques du problème sont abordés dans ce projet, depuis la nécessaire amélioration de la modélisation de la formation, de la propagation et de l'enregistrement des hologrammes (simulation électromagnétique et modèles asymptotiques de diffusion de la lumière) jusqu’à la prise en compte des problématiques soulevées par le grandissement des hologrammes (à l’aide d’un objectif, d’un microscope, ou de faisceaux d'éclairage convergents ou divergents) et les aberrations optiques introduites par les optiques et les interfaces. Il s'agit également de prendre en compte des objets aux formes et propriétés plus réalistes (gouttelettes déformées et absorbantes, agrégats de particules, détails de la morphologie bactérienne...). Le développement de méthodes de reconstruction avancées, par rétro propagation et par des approches ‘problèmes inverses’, est une contribution majeure du projet ATICS. Ces nouvelles méthodes doivent être implémentées dans des algorithmes rapides de calcul parallèle et d'apprentissage automatique afin de résoudre les problèmes de temps de calcul et ainsi fournir des outils réellement efficaces pour les diagnostics. L'applicabilité de ces outils est démontrée par le biais de quatre expériences appartenant à quatre domaines de recherche : (i) les pulvérisations à froid et les problématiques de dépôt sur support thermosensible; (ii) les écoulements à bulles interagissant avec une onde acoustique, pour les thérapies ultrasonores innovantes; (iii) les gouttelettes réactives en écoulements milli- et micro-fluidiques ou en lévitation, pour les problématiques d’extraction et de recyclage; (iv) les micro-organismes vivants et leur détection dans divers échantillons de fluides biologiques. Ces quatre applications sont également conçues pour apporter un éclairage physique et des données de validation pour la modélisation, ainsi que pour accroître l'impact et les bénéfices du projet pour les diverses communautés scientifiques et industrielles concernées. La diffusion des connaissances et les transferts tiennent également une part importante dans le projet ATICS, avec notamment la formation de 9 étudiants en Master de Sciences et 2 doctorants et 1 chercheur postdoctoral. Elle se concrétise également par une attention particulière portée à la publication et à la communication des résultats scientifiques dans des revues de haut niveau, nationales et internationales, ainsi que dans l'organisation d'une journée thématique, d'une conférence, par le partage d'outils numériques sur un dépôt GitHub et, dans le cadre du mouvement de la science ouverte, par des publications dans des médias à large audience (articles de Wikipédia).