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Peut-on voir à travers un objet opaque ?

 

Les chercheurs de l’institut Langevin (UMR 7587 CNRS/ESPCI ParisTech/Universités Paris 6 et 7), ont montré qu’il était possible, en contrôlant la lumière, de récupérer une image simple à travers un milieu très diffusant. La diffusion de la lumière dans un milieu diffusant, par exemple la peau ou encore un verre de lait, est en général considérée comme une perturbation inévitable et néfaste. Ce phénomène détruit en apparence, via des diffusions et des interférences multiples, toute information spatiale ou de phase contenue dans une onde incidente. D’un point de vue pratique, la diffusion multiple rend impossible la transmission d’une image, et même une simple focalisation.

C’est pour cela qu’il est impossible de voir à travers une couche de peinture blanche ou une feuille de papier. Ces milieux sont dits ’opaques’. Pour de la lumière laser, cela se manifeste par l’apparition de tavelures (le « speckle », en anglais) dues aux interférences. Malgré tout, la diffusion multiple, phénomène hautement complexe, reste un phénomène déterministe : elle est donc en principe réversible. Le speckle est cohérent, et il est donc envisageable de le contrôler de manière cohérente. En « façonnant », ou en « adaptant » le champ incident, il est en principe possible de contrôler la propagation et de s’affranchir du processus de diffusion.

C’est en partant de cette idée simple, que les chercheurs ont pu montrer qu’il était possible de mesurer la fonction reliant l’entrée à la sortie d’un milieu très diffusant. Ce milieu était une simple couche de peinture suffisamment épaisse pour pouvoir être considérée opaque, et la fonction mesurée est appelée matrice de transmission.

Afin de mesurer cette matrice de transmission, il a fallu éclairer la couche de peinture à l’aide d’un faisceau laser suivant un grand nombre d’incidences (environ 1000), et mesurer le résultat sur une caméra CCD placée de l’autre coté. Pour cela ils ont utilisé un modulateur spatial de lumière (ou SLM), le même dispositif que celui qu’on trouve dans les vidéo-projecteurs, qui permet d’afficher une image tous les 20 millisecondes. En quelques minutes, ils ont pu ainsi mesurer la matrice de transmission entre le modulateur spatial et la caméra CCD (dans une sous-zone de 16 par 16 pixels de chaque coté). Une fois cette matrice mesurée, il est facile et très rapide (20ms) de focaliser à volonté et rapidement en n’importe quel pixel de la CCD en utilisant l’information contenue dans cette matrice. Il est aussi possible, en analysant l’image de sortie (qui ne contient en apparence plus aucune information sur l’image d’entrée) d’ ‘inverser’ le processus de diffusion et de déduire l’image de départ. L’équipe de l’institut Langevin a démontré ce principe sur quelques images simples, en focalisant sur un ou quelques points, et en détectant un objet simple composé d’un ou deux pixels allumés.

Ces résultats montrent que la matrice de transmission est un outil riche qui permet de focaliser ou d’imager à travers un milieu diffusant. La mesure de la matrice de transmission est encore beaucoup trop lente pour la biologie, mais les perspectives pour l’imagerie sont nombreuses. A long terme, on pourrait par exemple optiquement adresser ou suivre un nano-objet dans un milieu biologique.

A un niveau plus fondamental, ces travaux apportent aussi une meilleure compréhension du domaine très riche de la propagation des ondes dans les milieux diffusants. Or, ces milieux constituent un terrain d’étude unique, pour les théoriciens comme pour les expérimentateurs, à l’interface de nombreux domaines comme l’optique, la matière condensée, la physique statistique ou les systèmes chaotiques pour n’en citer que quelques-uns. La possibilité de faire varier continûment les différents paramètres, de structures totalement désordonnées (comme des suspensions dans des liquides) à totalement ordonnées (comme les cristaux photoniques), de solide à granulaire ou liquide, de simple diffusion à diffusion résonante, de milieu absorbant à milieu amplificateur, ouvrent de nombreuses voies d’exploration et d’étude de phénomènes physiques nouveaux.

 

 

Schéma expérimental. Le laser est spatialement élargi à l’aide d’un montage telescopique, envoyé sur le modulateur spatial (SLM) qui le met en forme, puis focalisé sur la couche de peinture. La lumière collectée de l’autre coté est envoyée sur la CCD. (L : Lentille, P : Polariseur, D : Diaphragme).

 

Exemple de focalisation : (gauche) image en transmission initiale, résultat de la diffusion multiple (droite) focalisation en un point en envoyant en entrée la forme adaptée.

 

 

Exemple de détection d’image simple : reconstruction de l’objet par analyse de l’image en transmission. L’objet initial correspondait au pixel rouge ON et tous les autres pixels OFF.

 

 

Site web

http://www.institut-langevin.espci.fr/

 

Contact

Sylvain Gigan, sylvain.gigan@espci.fr

http://www.institut-langevin.espci.fr/Sylvain-GIGAN,82

 

Références

  • (1) S. Popoff, G. Lerosey, R. Carminati, M. Fink, A.C. Boccara, S. Gigan “Measuring the Transmission Matrix in Optics : An Approach to the Study and Control of Light Propagation in Disordered Media” Phys. Rev. Lett. 104, 100601 (2010)
  • (2) A. Mosk The information age in optics: Measuring the transmission matrix, Physics 3, 22 (2010)
  • (3) « 'Superman' vision penetrates opaque glass » NewScientist 2746, 19 (2010)
  • (4) "See through vision invented" National geographic News
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