Imagerie avancée

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Présentation

L’étude des propriétés fondamentales des ondes lumineuses (phénomènes de propagation et d’interférence, rôle de la polarisation) permet d’approfondir les mécanismes de la formation des images et de développer de nouveaux concepts pour l’imagerie. L’équipe DOP a ainsi développé une expertise reconnue sur les phénomènes d’auto-imagerie, sur les effets de speckle, et sur de nouvelles techniques d’imagerie polarimétrique.

Effet Talbot et auto-imagerie

L’effet Talbot est un effet d’optique spatiale observé au voisinage d’un motif périodique. Lorsque ce dernier est éclairé par une onde plane, une image exacte du motif initial se forme à des distances multiples d’une certaine distance – dite distance de Talbot (z_T). Lorsque l’écran est placé à une distance fractionnaire de z_T, l’image du motif de départ est démultipliée (effet Talbot fractionnaire). L’effet Talbot peut être mis à profit notamment pour l’analyse de fronts d’onde ou le filtrage d’images. Nous avons notamment utilisé l’effet Talbot pour démontrer un concept d’amplification passive et cohérente d’images. Un autre intérêt des effets d’auto-imagerie est que le formalisme mathématique qui le décrit est identique à celui qui s’applique aux boucles à décalage de fréquence, ce qui permet d’observer les mêmes types de phénomènes dans le domaine spatial et temporel, une manifestation fructueuse de la dualité espace-temps en optique.

Imagerie par brisure d’orthogonalité

Cette nouvelle modalité de mesure est inspirée de techniques d’optique-hyperfréquence, et permet de fournir une mesure directe, rapide et sensible du pouvoir dépolarisant et/ou du dichroïsme d’un échantillon. Elle repose sur la préparation et l’utilisation d’un faisceau d’illumination spécifique, afin d’éclairer l’objet à caractériser à l’aide de deux ondes lumineuses de fréquences respectives ν1 et ν2 très légèrement différentes, et dont les états de polarisation respectifs sont arbitraires (non nécessairement linéaires), mais orthogonaux entre eux au sens mathématique. Lors de l’interaction du faisceau avec un échantillon purement dépolarisant ou dichroïque, l’interférence des deux champs aux fréquences ν1 et ν2 provoque une modulation périodique de l’intensité mesurée par le détecteur à la différence de fréquence Δν = |ν1 – ν2| entre les deux ondes. L’amplitude de cette modulation renseigne sur le taux de dépolarisation ou de dichroïsme de l’échantillon. En revanche, l’interaction avec un échantillon biréfringent ne provoquera pas de « brisure d’orthogonalité » : ainsi la technique est insensible aux biréfringences et rotations de polarisation, ce qui la rend très adaptée au déport de la mesure par fibre pour des applications endoscopiques. Plus récemment, nous avons conçu un démonstrateur d’imagerie polarimétrique actif infrarouge par brisure d’orthogonalité et étudions son apport pour la détection et la discrimination de cibles à longue portée. Enfin, dans le cadre de l’endoscopie polarimétrique, nous explorons le potentiel de la brisure d’orthogonalité pour le déport par fibre optique multimode.

Imagerie polarimétrique

L’imagerie polarimétrique, qui consiste à former une cartographie de l’état de polarisation de la lumière émise par une scène, permet de fournir des contrastes physiques complémentaires à ceux obtenus en imagerie classique. Pour cette raison, ce type d’imagerie présente de nombreuses applications pour l’imagerie biomédicale, l’industrie, la télédétection, ou encore pour la caractérisation de matériaux. Il constitue un thème central de recherche parmi les activités en Imagerie avancée.

Imagerie par démodulation plein champ/vision à travers le brouillard

Cette activité de recherche, menée en collaboration avec le Raman Research Institute de Bangalore (Inde), a pour objectif de développer des systèmes d’imagerie et les traitements associés permettant de fournir une assistance visuelle à la navigation (aérienne/terrestre/maritime) dans des conditions de visibilité atmosphérique dégradées. Parallèlement, des études théoriques utilisant des approches issues de la théorie de l’information permettent de déterminer les représentations optimales des signaux polarimétriques qui maximisent le contraste de visibilité de la source.

Interférométrie de speckle

Ces travaux plus fondamentaux visent à la compréhension des effets de dépolarisation lumineuse à l’échelle d’un motif de speckle ultra-résolu en polarisation. En effet, les mécanismes de dépolarisation lors d’une interaction surfacique ou volumique sont aujourd’hui bien compris et modélisés lorsqu’on considère des effets d’ensemble (spectre large, grande ouverture numérique de l’imageur,…). À l’inverse, dès que ces conditions ne sont plus satisfaites, la notion de dépolarisation est à manier avec précaution : par exemple, même en présence d’un désordre figé temporellement, les propriétés polarimétriques de l’échantillon analysé peuvent varier considérablement en fonction de la géométrie du dispositif d’imagerie utilisé. Nous avons donc développé un montage expérimental fiable et affranchi de tout biais instrumental afin d’explorer la répartition (déterministe) de l’état de polarisation d’un motif de speckle constant dans le temps, à une échelle d’imagerie bien inférieure à la taille d’un grain de speckle. Avec un tel dispositif, il a été possible d’obtenir pour la première fois une cartographie de l’état de polarisation de la lumière à l’échelle d’un grain de speckle, et ainsi d’étudier la répartition spatiale du vecteur de Jones sur un ensemble de quelques grains de speckle adjacents.

Financements

• ANR (Projet ANR FROST), …

Personnels de recherche impliqués

Pour en savoir plus

• Hugues Guillet de Chatellus, Luis Romero Cortés, Antonin Deville, Mohamed Seghilani, José Azaña. Diffraction-Induced Bidimensional Talbot Self-Imaging with Full Independent Period Control. Physical Review Letters, 2017, 118 (13), ⟨10.1103/PhysRevLett.118.133903⟩. ⟨hal-01693151⟩
• Côme Schnébelin, Hugues Guillet de Chatellus. Spectral interpretation of Talbot self-healing effect and application to optical arbitrary waveform generation. Optics Letters, 2018, 43 (7), ⟨10.1364/OL.43.001467⟩. ⟨hal-01784624⟩
• Luis Romero Cortés, Hugues Guillet de Chatellus, Antonin Deville, Mohamed Seghilani, Ines Hamam, et al.. Generalized Talbot self-healing and noise mitigation of faulty periodic images. Journal of the Optical Society of America. A Optics, Image Science, and Vision, 2020, 37 (3), pp.384. ⟨10.1364/JOSAA.375703⟩. ⟨hal-02474371⟩
• Julien Fade, Mehdi Alouini. Depolarization remote sensing by orthogonality breaking. Physical Review Letters, 2012, 109 (4), pp.043901. ⟨10.1103/PhysRevLett.109.043901⟩. ⟨hal-00732631⟩
• Noe Ortega-Quijano, Julien Fade, Emmanuel Schaub, François Parnet, Mehdi Alouini. Full characterization of dichroic samples from a single measurement by circular polarization orthogonality breaking. Optics Letters, 2015, 40 (7), pp.1270-1273. ⟨10.1364/OL.40.001270⟩. ⟨hal-01131627⟩
• François Parnet, Julien Fade, Noe Ortega-Quijano, Goulc’Hen Loas, Ludovic Frein, et al.. Free-space active polarimetric imager operating at 1.55 μm by orthogonality breaking sensing. Optics Letters, 2017, 42 (4), pp.723-726. ⟨10.1364/OL.42.000723⟩. ⟨hal-01462047⟩
• François Parnet, Julien Fade, Mehdi Alouini. Orthogonality breaking through few-mode optical fiber. Applied optics, 2016, 55 (10), pp.2508-2520. ⟨10.1364/AO.55.002508⟩. ⟨hal-01290727⟩
• Julien Fade, Muriel Roche, Mehdi Alouini. Computational polarization imaging from a single speckle image. Optics Letters, 2012, 37 (3), pp.386-388. ⟨10.1364/OL.37.000386⟩. ⟨hal-00667320⟩
• Julien Fade, Muriel Roche, Mehdi Alouini. Polarizer-free degree of polarization computational imaging from a single speckle image. SPIE Optical Engineering + Applications, Polarization Science and Remote Sensing VII, Aug 2015, San Diego, United States. pp.961302, ⟨10.1117/12.2188599⟩. ⟨hal-01184300⟩