Imagerie optique non-conventionnelle : combiner optique-photonique et calculs numériques pour dépasser les limites
Le domaine de l’imagerie optique regroupe les techniques d’imagerie non invasives qui utilisent la lumière dans les régions ultraviolette, visible et infrarouge du spectre électromagnétique, afin obtenir des images de la scène ou du spécimen observé. Ces images donnent une représentation sous forme de niveau de gris, ou de couleurs.
L’imagerie non-conventionnelle permet d’accéder à des quantités physiques (phase de la lumière captée, absorption, indice optique du spécimen, polarisation de l’onde d’illumination induite par la scène ou le spécimen observé, composition chimique d’un objet, énergie d’interaction) qui ne sont pas accessibles aux systèmes de mesure conventionnels. Les systèmes d’imagerie non-conventionnelle ne délivrent pas directement des images, mais utilisent des montages optiques spéciaux, et un traitement numérique spécifique des données enregistrées, pour reconstruire l’image des quantités physiques recherchées. Ce domaine est également connu sous le nom d’imagerie computationnelle ou imagerie quantitative.
Nos développements sont par exemple très actifs en microscopie optique, avec notamment des travaux menés dans ce domaine à l’IRIMAS (microscopie holographique, imagerie tomographique diffractive), à ICube (imagerie de phase, microscopie assistée par microsphère, spectroscopie locale, imagerie par jet photonique, imagerie de polarisation), et au L2n (Lumière, nanomatériaux et nanotechnologies) (imagerie quantitative de l’adhésion cellulaire).
Notre activité couvre aussi la vision industrielle et le contrôle qualité, notamment avec des caméras monoculaires et Light-Field, avec des développements originaux en « déflectométrie Light-Field », et en navigation robotique par caméra (odométrie visuelle et détermination de trajectoires en vision monoculaire). Voir aussi les pages innovations.
Autres applications
Exemple de reconstruction 3D d’une pièce complexe par vision caméra.
Les travaux en imagerie non-conventionnelle trouvent aussi des applications industrielles. L’utilisation de caméras avec de nouvelles modalités d’acquisition (caméra évènementielle, caméra plénoptique) se développe aussi maintenant, avec par exemple des applications en contrôle qualité. L’imagerie robotisée permet en particulier la reconstruction efficace de pièces en 3D (collaboration IRIMAS – Holo3). L’imagerie multi-dimentionnelle, combinant plusieurs modalités (light-field et polarimétrie par exemple), couplée à l’intelligence artificielle permet la détection et la classification de défauts avec une grande précision.
Spectroscopie Raman et capteurs
Contexte
Aujourd’hui, la capacité de gestion et de traitement de données multiples pour l’analyse, le contrôle et l’aide à la prise de décision autorisent l’utilisation de capteurs complexes permettant en temps réel d’acquérir de nombreuses informations, par exemple pour des mesures environnementales ou contrôle de procédés industriels.
Les capteurs optiques, et en particulier spectroscopiques, permettent des suivis in situ en temps réel de matériaux sous forme solide, liquide ou gazeux. Les récents progrès technologiques en optique intégrée rendent le développement de nouveaux capteurs optiques basés sur la diffusion Raman possible.
Description
L’innovation consiste en l’utilisation d’un faisceau laser focalisé sur la zone d’étude. Cette mesure sans contact, éventuellement à travers un contenant transparent, induit un volume d’analyse variable du mm3 au mm3. La mesure de l’ordre de quelques secondes donne de multiples informations : composés présents et leurs concentrations, défauts de composition ou de structure, contrainte mécanique induite ou provoquée.
Le dispositif développé au laboratoire LMOPS, peut être adapté à de nombreuses situations de mesures : mesures en laboratoire, couplage avec une autre technique de caratérisation de matériaux, procédés chimiques ou de mise en forme sur pilote ou dircetement sur système industriel, mesure en pleine lumière, mesure en extérieur. La finalité est de proposer un capteur intégré, optimisé pour fournir les indicateurs souhaités.
Exemples de capteurs développés :
Capteur de suivi de :
- concentration de fondants routiers
- réaction de polymérisation en batch ou en procédé continu
- cristallisation de polymères lors de la mise en forme
- procédé de filage polymère
- réaction de fermentation
Capteur de couplage de cartérisation physico-chimique :
- rhéomètre
- caractérisation RX
- DSC
- essai de traction
- Dispositif portatif permettant de faire des mesures sans contact et sans préparation du matériau à analyser
- Mesure à distance avec l’utilisation de fibres optiques
- Analyse possible à travers une interface non absorbante
- Mesure en quelques secondes
- Adaptable aux conditions et à l’environnement de mesure
- Suivi in situ et ex situ de réactions chimiques de synthèse et polymérisation (réactifs, produits, impuretés)
- Suivi de procédés en ligne de mise en forme de matériaux
- Suivi de procédés industriels
- Suivi de polluants dans l’environnement
Le développement d’un capteur spectroscopique Raman passe par une phase de validation au sein du laboratoire LMOPS avant d’être déployé en tant que capteur de terrain. Cette phase de validation comprend une étape de mise en évidence des indicateurs spectroscopiques pertinents pour la mesure puis par une étape de conception et d’optimisation du dispositif optique ainsi qu’une optimisation du traitement des données. Le temps de développement du capteur est variable en fonction de la sensibilité de mesure recherchée et des contraintes liées à l’environnement de mesure.
- LMOPS – Axe de recherche photonique
- ICube – Instrumentation et Procédés Photoniques
Imagerie ultra-rapide
De nombreux phénomènes physiques se produisent à des échelles de temps infinitésimales, défiant notre capacité à les observer. Pour capturer ces instants fugaces, des caméras ultra-rapides s’avèrent indispensables. S’appuyant sur une expertise avancée en électronique rapide et en conception de circuits CMOS, le laboratoire ICube a développé deux familles de caméras révolutionnaires pour relever ce défi ambitieux.
La première, une caméra intégrée équipée d’un détecteur CMOS, offre la capacité d’imager des phénomènes à l’échelle de la nanoseconde, dévoilant des détails inaccessibles jusqu’alors. La seconde, une caméra à balayage de fente (streak camera), pousse les limites encore plus loin, permettant de capturer des phénomènes à l’échelle de la picoseconde. La sensibilité des caméras peut atteindre la détection de photons uniques.
Ces caméras ont de nombreuses applications en santé, nano-chimie, et suivi des phénomènes lumineux.
Elastographie par OCT plein champ
Depuis l’introduction de l’élastographie quantitative en IRM, puis en échographie, de nombreuses études ont démontré la pertinence clinique de ce contraste pour l’imagerie médicale, en particulier en échographie ultrasonore, où l’élastographie quantitative est désormais couramment utilisée pour le dépistage du cancer du sein.
Dans l’équipe Instrumentation et Procédés Photoniques (IPP) du Laboratoire ICube, nous développons une approche originale issue de nos derniers travaux en élastographie passive par corrélation de bruit, qui est actuellement l’une des approches les plus prometteuses pour l’élastographie optique in vivo et sans contact dans les tissus biologiques.
Plus précisément, l’instrument que nous développons est un système d’imagerie OCT en champ, capable de mesurer avec une résolution micrométrique, en 3D et sur une gamme de fréquences allant de 100 Hz à 10 kHz, les propriétés mécaniques quantitatives, tout en fournissant simultanément des images morphologiques 3D à haute résolution.
Imagerie de polarisation
L’imagerie polarimétrique utilise les propriétés de polarisation de la lumière pour explorer des structures biologiques et physiques invisibles aux méthodes classiques. Ses applications incluent l’identification de signatures spécifiques aux tissus cancéreux, le suivi de leur évolution en temps réel, et la mesure de la qualité atmosphérique en milieu urbain. Récemment, son association avec l’intelligence artificielle a permis d’analyser et de corréler les variations optiques à des processus biologiques ou à des mesures climatiques urbaines. Par ailleurs, les avancées en polarimétrie quantique, exploitant les photons intriqués, offrent une voie importante de conception de composants photoniques avec une sensibilité et une robustesse accrues, même en faible lumière. Ces innovations trouvent des applications prometteuses en médecine et en télédétection, où la précision est essentielle.
Spectroscopie locale, microscopie assistée par microbilles, microscopie holographique
