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Quand les objets jouent à cache-cache avec la lumière

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Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

Quand les objets jouent à cache-cache avec la lumière

Un appareil photo qui permet de voir à travers un milieu opaque

Nicéphore Niepce n’en croirait pas ses yeux ! Avez-vous déjà essayé de voir à travers une vitre teintée, du verre dépoli ou encore la peau ? Sylvain Gigan, professeur UPMC au laboratoire Kastler-Brossel (LKB, CNRS/UPMC/Collège de France/ENS Paris), et ses collègues de l’Institut Langevin (CNRS/ESPCI ParisTech/UPMC/Université Paris Diderot/Inserm) ont montré qu’il était possible de reconstruire l’image d’un objet placé derrière un écran opaque à l’aide d’une simple photo, en analysant la lumière diffusée.

 

Un objet placé derrière un milieu opaque, comme une vitre diffusante, un verre de lait ou de la neige, ne peut être vu a priori. En effet, la lumière issue de cet objet, arrivant sur le milieu opaque, va être déviée de manière complexe par la rugosité où les inhomogénéités qui la composent. Notre œil ou une caméra, ne peut reformer l’objet. De même, il est difficile de voir en profondeur dans les tissus biologiques (que ce soit à l’oeil nu ou avec un microscope), du fait de la grande complexité des tissus que la lumière doit traverser. Cette limite fondamentale est un problème crucial pour l’optique biomédicale, et pour l’imagerie en général. De nombreux travaux ont tenté de mesurer et compenser cette distorsion, en particulier à l’aide des techniques dites de contrôle de front d’onde. Malgré des progrès énormes, ces techniques restent lentes, et encore difficiles à appliquer à l’imagerie.

 

Imager à travers un milieu opaque à l’aide d’un smartphone

a) photographie de l’expérience : l’objet (la lettre ‘X’ en arrière-plan) est imagé à l’aide d’un téléphone portable. Entre l’objet et le téléphone, un verre diffusant (non-visible) est inséré.

b-c-d) à gauche : autocorrélation de la tache de diffusion ; au centre : reconstruction de l’objet à partir de l’autocorrélation ; à droite : objets initiaux. Échelle : barre = 50 camera pixels. © O. Katz/LKB

 

Les scientifiques ont développé une nouvelle technique d'imagerie qui permet de résoudre en partie ces problèmes. Ils se sont inspirés de l’interférométrie stellaire de speckle, développée dans les années 1970 par l’astronome Antoine Labeyrie. Cette technique avait notamment permis de détecter des étoiles binaires à l’aide de télescopes terrestres, malgré les aberrations dues à l’atmosphère, en utilisant le fait que la position des étoiles était encodée dans les corrélations spatiales des grains qui constituent la tache de diffusion (le speckle). Ils se sont également inspirés de travaux plus récents utilisant le même concept et ayant montré qu’il est possible de récupérer l’image d’un objet placé derrière un écran diffusant, à l’aide d’un long processus nécessitant d’illuminer l’écran diffusant sous un très grand nombre d’angles.

 

L’originalité de cette approche est de montrer qu’une unique image de la tache de diffusion transmise par le milieu opaque contient, sous certaines conditions, suffisamment d’information pour reconstruire l’image de l’objet masqué. Cette nouvelle technique d’imagerie ne nécessite donc d’avoir recours ni à un scan ni à un long temps d’exposition pour reconstruire l’image de l’objet, au contraire des deux méthodes précédentes. Elle est même si simple qu’un simple appareil photo de téléphone portable permet de réaliser l’expérience. D'autre part, cette méthode est non invasive et rapide et permet ainsi d’envisager des perspectives en imagerie des milieux complexes, et en particulier en imagerie des tissus in vivo comme ceux du cerveau, étudiés en neuroscience.

Pour en savoir plus :

Laboratoire Kastler-Brossel (LKB, CNRS/UPMC/Collège de France/ENS Paris)Nouvelle fenêtre

Équipe « Imagerie optique et applications aux milieux biologiques et diffusants »

L’institut Langevin (CNRS/ESPCI ParisTech/UPMC/Université Paris Diderot/Inserm)Nouvelle fenêtre

 

Références :

Jacopo Bertolotti, Elbert G. van Putten, Christian Blum, Ad Lagendijk, Willem L. Vos, Allard P. Mosk, Non-invasive imaging through opaque scattering layers, Nature 491, 232–234 (08 November 2012).

 

O. Katz, P. Heidmann, M. Fink, S. Gigan. Non-invasive single-shot imaging through scattering layers and around corners via speckle correlations. Nature Photonics, 8, 794-790, doi:10.1038/nphoton.2014.189 (2014).

 



20/03/15