Rappelons que pour "imager" des structures noyées dans des milieux diffusants trois approches sont possibles, elles sont associées à trois "classes de photons" qui se propagent entre la source et le détecteur :
- Les photons balistiques (ou cohérents) qui ne subissent pas de collision avec les diffuseurs.
- Les photons serpentiles qui s'éloignent peu du chemin optique du principe de Fermat et que l'on sélectionne temporellement (les premiers arrivés après une impulsion très courte).
- Les photons diffusés qui suivent des trajectoires complexes prévues par l'équation de diffusion que l'on cherche à "inverser" ou à "marquer" pour retrouver les structures.

Principaux résultats :

Microscopie optique tridimensionnelle à haute résolution

Traitement en parallèle d'un ensemble de grains de speckle modulés par des Ultrasons focalisés (gain en S/B~100 sur les montages existants).
 

Microscopie optique tridimensionnelle à haute résolution

Les activités de recherche de notre équipe portent sur un microscope optique permettant de produire en temps réel des images en trois dimensions avec une très haute résolution spatiale.
 

Nous avons réalisé un premier prototype de microscope qui permet de reconstruire en trois dimensions des surfaces d’objets avec une résolution en hauteur de quelques Angströms et une résolution latérale de 0.5 micromètre sur un champ de quelques dizaines de micromètres. La figure 1 montre un détail sur la surface d’un circuit intégré reconstruit en 3 dimensions. Le microscope que nous avons réalisé permet également de produire des images dans lesquelles la lumière ne provenant pas du plan de mise est éliminée. Nous pouvons ainsi visualiser des plans en coupe latérale situés en profondeur dans certains objets. La figure 2 montre des images à l’intérieur d’un oignon, plusieurs dizaines de micromètres sous la surface.

Figure1, cliquez sur l'image pour l'agrandir

 
 

Nous projetons de construire un nouveau microscope qui devra permettre d’atteindre les performances suivantes, jamais atteintes jusqu’alors :

• observation d’objets en 3 dimensions dans un volume de 1mm x 1mm x 1mm,
• résolution latérale de 0,2 micron,
• résolution en hauteur de 1 Angström.
• Le système devra produire des images en temps réel afin de suivre les éventuels mouvements des objets étudiés.

Figure 2 : Intérieur d’un oignon, 50 mm (à gauche) et 60 mm (à droite) sous la surface. Le champ est de 240 mm2.

Notre approche est basée sur le « marquage » de la trajectoire des photons avec un transducteur à ultrasons focalisés. Ce couplage repose sur plusieurs hypothèses :  - Les ultrasons se propagent à travers le milieu diffusant et se focalisent  en une petite zone à l’intérieur du milieu .  - Dans cette zone focale, les ultrasons produisent une surpression, une modulation de l'indice de réfraction,  un déplacement des particules de la forme A(r) sin(ks .r - ws t) où A(r) est l’amplitude du déplacement et ks le vecteur d’onde .  - Ces variations périodiques du milieu modulent le faisceau lumineux passant dans la zone focale des ultrasons.

Le speckle induit par l’illumination cohérente du milieu biologique avec une diode laser, est modulé  à la même fréquence que le transducteur à ultrasons. Cette technique permet de marquer les photons passant dans une partie bien précise du milieu, et les informations reçues correspondent aux propriétés optiques et mécaniques de la zone sélectionnée.  La lumière modulée mesurée, diminue considérablement quand la zone focale des ultrasons marque une zone absorbante où de nombreux photons sont piégés, et donc on détecte un signal plus faible qui permet de localiser de façon précise la zone absorbante(cf. figure ci contre).  Le système de détection utilisant une caméra CCD et une détection synchrone multiplexée permet de traiter en parallèle la modulation d’un grand nombre de grains de speckle, et ainsi d’améliorer le rapport signal à bruit de deux ordres de grandeur.  Comme indiqué sur le schéma de principe, ce montage peut être utilisé en configuration de transmission (T) ou de rétrodiffusion (R).

Image 3D d'une sphère de diamètre 3 mm placée à l'intérieur de 30 mm de tissu

Grâce à la détection de ce contraste optique, l’enjeu de la méthode est de révéler à un stade précoce (taille de quelques mm) la présence de tissus anormaux qui sont optiquement plus absorbants que les tissus sains.