Inspirés par une technique qui permettait aux astronomes d’imager un trou noir, des scientifiques de l’Université du Connecticut ont développé un capteur d’image sans lentille qui atteint une résolution 3D submicronique, promettant de transformer les domaines de la médecine légale à la télédétection.
« Au cœur de cette avancée se trouve un problème technique de longue date », a déclaré le professeur Guoan Zheng de l’Université du Connecticut, auteur principal de l’étude.
« L’imagerie à ouverture synthétique fonctionne en combinant de manière cohérente les mesures de plusieurs capteurs séparés pour simuler une ouverture d’imagerie beaucoup plus grande. »
En radioastronomie, cela est possible car la longueur d’onde des ondes radio est beaucoup plus longue, ce qui rend possible une synchronisation précise entre les capteurs.
Mais aux longueurs d’onde de la lumière visible, où l’échelle d’intérêt est plusieurs fois plus petite, les exigences de synchronisation traditionnelles deviennent presque impossibles à satisfaire physiquement.
L’imageur de synthèse à ouvertures multi-échelles (MASI) renverse ce défi.
Plutôt que de forcer plusieurs capteurs optiques à fonctionner en parfaite synchronisation physique, MASI permet à chaque capteur de mesurer la lumière indépendamment, puis utilise des algorithmes informatiques pour synchroniser ensuite les données.
« Cela revient à demander à plusieurs photographes de capturer la même scène, non pas sous forme de photos ordinaires, mais sous forme de mesures brutes des propriétés des ondes lumineuses, puis de laisser un logiciel assembler ces captures indépendantes en une seule image à ultra haute résolution », a déclaré le professeur Zheng.
Ce schéma informatique de synchronisation de phase élimine le besoin de configurations interférométriques rigides qui ont empêché jusqu’à présent le déploiement pratique des systèmes à ouverture synthétique optique.
MASI s’écarte de l’imagerie optique conventionnelle de deux manières transformatrices.
Plutôt que de compter sur des lentilles pour focaliser la lumière sur un capteur, MASI déploie un ensemble de capteurs codés positionnés dans différentes parties d’un plan de diffraction. Chacun capture des modèles de diffraction bruts – essentiellement la façon dont les ondes lumineuses se propagent après avoir interagi avec un objet.
Ces mesures de diffraction contiennent à la fois des informations d’amplitude et de phase, qui sont récupérées à l’aide d’algorithmes informatiques.
Une fois le champ d’ondes complexe de chaque capteur récupéré, le système complète numériquement et propage numériquement les champs d’ondes vers le plan objet.
Une méthode informatique de synchronisation de phase ajuste ensuite de manière itérative les décalages de phase relatifs des données de chaque capteur pour maximiser la cohérence et l’énergie globales dans la reconstruction unifiée.
Cette étape constitue l’innovation clé : en optimisant les champs d’ondes combinés dans le logiciel plutôt qu’en alignant physiquement les capteurs, MASI surmonte la limite de diffraction et d’autres contraintes imposées par l’optique traditionnelle.
Une ouverture synthétique virtuelle plus grande que n’importe quel capteur unique, permettant une résolution inférieure au micron et une couverture de champ large sans objectifs.
Les objectifs conventionnels, qu’ils soient utilisés dans les microscopes, les appareils photo ou les télescopes, obligent les concepteurs à faire des compromis.
Pour résoudre des détails plus petits, les lentilles doivent être plus proches de l’objet, souvent à quelques millimètres près, ce qui limite la distance de travail et rend certaines tâches d’imagerie peu pratiques ou invasives.
L’approche MASI se passe entièrement d’objectifs, capturant les diagrammes de diffraction à des centimètres de distance et reconstruisant les images avec une résolution allant jusqu’aux niveaux submicroniques.
Cela revient à pouvoir examiner les fines crêtes d’un cheveu humain depuis un ordinateur de bureau au lieu de l’approcher à quelques centimètres de votre œil.
« Les applications potentielles du MASI couvrent de multiples domaines, depuis la médecine légale et le diagnostic médical jusqu’à l’inspection industrielle et la télédétection », a déclaré le professeur Zheng.
« Mais ce qui est le plus intéressant, c’est l’évolutivité : contrairement aux optiques traditionnelles qui deviennent exponentiellement plus complexes à mesure qu’elles se développent, notre système évolue de manière linéaire, permettant potentiellement de disposer de grands réseaux pour des applications que nous n’avons même pas encore imaginées. »
