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21 septembre 2017

Proposition d’un sujet de stage de master M2 (2018) en reconstruction d’images pour l’holographie numérique Laboratoire Hubert Curien


Catégorie : Stagiaire


Intitulé du sujet : Méthodes ”problèmes inverses” pour la reconstruction de phase (phase retrieval ) en holographie numérique en ligne (microscopie sans lentille).

Lieu : Laboratoire Hubert Curien (LaHC).

Laboratoire d’accueil : Laboratoire Hubert Curien (LaHC).

Encadrement : Fabien Momey (fabien.momey@univ-st-etienne.fr), Corinne Fournier (corinne.fournier@univ-st-etienne.fr).

Mots-clés : traitement du signal/image, reconstruction d’images, problèmes inverses, holographie, optique physique, microscopie non conventionnelle.

Durée : 6 mois.

Démarrage prévu : février/mars 2018.

Rémunération : ∼ 600 euros.

 

Contexte et problématique

L’holographie en ligne est une méthode d’imagerie non conventionnelle basée sur l’acquisition d’images défocalisées (hologrammes). Ces hologrammes correspondent à l’intensité de l’onde diffractée par un plan de transmittance complexe (amplitude et phase) composé d’objets absorbants et/ou déphasants (objets biologiques par exemple), soumis à une illumination cohérente ou partiellement cohérente (LED, laser, source X). Proposé par Gabor en 1948 [1], cette technique d’imagerie suit le principe de diffraction dans le régime de Fresnel. L’utilisation des capteurs numériques (CCD / CMOS) avec un champ de vue et une résolution pixellique suffisante (de l’ordre du micron) permettent l’acquisition d’hologrammes pouvant être refocalisés numériquement. Les domaines d’application sont nombreux, allant de la mécanique des fluides ou la détection de nano-particules à, plus récemment, la microscopie pour la biologie - imagerie sans lentille [2, 3, 4]. Toutes ces applications mettent en œuvre un traitement numérique des données d’acquisition, qui consiste à ”refocaliser” les hologrammes afin d’obtenir une image quantitative de la transmittance de l’objet : on parle de reconstruction (exemple simple de focalisation numérique). Cependant, comme seule l’intensité I de l’onde diffractée a sur le détecteur est enregistrée, il manque l’information de phase de l’onde sur le plan détecteur, ce qui rend le problème de reconstruction fortement mal posé. Les méthodes employées doivent donc gérer ce manque d’information pour récupérer l’amplitude complexe du plan de transmittance, et notamment la phase, d’où la dénomination de phase retrieval pour ce type de problème.

État de l’art

Les méthodes usuelles se basent sur l’inversion de la transformée de Fresnel (rétropropagation) [5]. En règle générale, les algorithmes de l’état de l’art alternent entre des étapes de rétropropagation des hologrammes au plan objet et de propagation sur le plan détecteur, avec des traitements intermédiaires pour la réduction des artéfacts d’image jumelle [6, 7, 8]. Dans certaines applications, on multiplie les longueurs d’onde d’illumination (multi-λ) pour apporter plus d’information sur la phase à restaurer. Dans une logique d’instrumentation bas coût, on utilise aussi des capteurs couleur pour l’acquisition simultanée d’hologrammes multi-lambda [9].

Approche proposée

Les approches de type ”problèmes inverses” offrent de bons résultats. Des travaux au LaHC ont déjà montré le potentiel de ce type de méthodes appliquées à l’holographie numérique [10, 11, 12]. Parmi les avantages, on peut citer :

Sujet du stage

Le stagiaire recruté participera à la mise en œuvre et les tests des algorithmes de type ”problèmes inverses régularisés” pour la reconstruction de phase 2D. Les applications visées sont le traitement de données pour la microscopie sans lentille appliquée principalement à la microbiologie. Des interactions seront possibles avec d’autres membres du laboratoire spécialisés dans les méthodes liées au Machine Learning, sur des problématiques d’analyse d’images biologiques, notamment de classification. Les compétences souhaitées pour ce stage, et qui seront consolidées, tourneront autour du traitement du signal et de l’image, la résolution de problèmes inverses pour des applications d’imagerie. Des connaissances ou une expérience en optique physique (théorique, instrumentation) seront appréciées.

Références bibliographiques

[1] D. Gabor, “A new microscopic principle,” Nature, vol. 161, pp. 777–778, 1948.

[2] L. Repetto, E. Piano, and C. Pontiggia, “Lensless digital holographic microscope with light-emitting diode illumination,” Optics Letters, vol. 29(10), pp. 1132–1134, 2004.

[3] S. O. Isikman, W. Bisharaa, S. Mavandadia, F. W. Yua, S. Fenga, R. Laua, and A. Ozcan, ”Lens-free optical tomographic microscope with a large imaging volume on a chip”, PNAS, vol. 108(18), pp. 7296–7301, 2011.

[4] A. Greenbaum, W. Luo, T-W. Su, Z. Göröcs, L. Xue, S.O. Isikman, A.F. Coskun, O. Mudanyali, and A. Ozcan, ”Imaging without lenses: achievements and remaining challenges of wide-field on-chip microscopy”, Nature Methods, vol. 9, pp. 889–895, 2012.

[5] J. P. Guigay, “Fourier transform analysis of Fresnel diffraction patterns and in-line holograms,” Optik, vol. 46, pp. 121–125, 1977.

[6] R. W. Gerchberg and W. O. Saxton, “A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures,” Optik, vol. 35, pp. 237–246, 1972.

[7] J. R. Fienup, “Phase retrieval algorithms: A comparison,” Appl. Opt., vol. 21, pp. 2758–2769, 1982.

[8] L Denis, C. Fournier, T. Fournel and C. Ducottet, ”Numerical suppression of the twin image in in-line holography of a volume of micro-objects”, IOP Measurement Science and Technology, vol. 19(7), pp. 074004, 2008.

[9] Y. Zhang, Y. Wu, Y. Zhang, and A. Ozcan, ”Color calibration and fusion of lens-free and mobile-phone microscopy images for high-resolution and accurate color reproduction”, Nature Scientific Reports, 2016.

[10] F. Soulez, L. Denis, C. Fournier, E. Thiébaut, and C. Goepfert, ”Inverse problem approach for particle digital holography: accurate location based on local optimisation,” J. Opt. Soc. Am. A, vol. 24, pp. 1164-1171, 2007.

[11] L. Denis, D. Lorenz, E. Thiébaut, C. Fournier, et D. Trede, ”Inline hologram reconstruction with sparsity constraints”, Optics Letters, vol. 34, no 22, p. 3475–3477, 2009.

[12] M. Seifi, C. Fournier, N. Grosjean, L. Méès, J.-L. Marié, and L. Denis, ”Accurate 3D tracking and size measurement of evaporating droplets using an in-line digital holography and “inverse problems” reconstruction approach”, Optics Express, 2013.

[13] W. Bishara, T.-W. Su, A. F. Coskun, and A.Ozcan, ”Lensfree on-chip microscopy over a wide field-of-view using pixel super-resolution”, Optics express, vol. 18(11), pp. 11181–11191, 2010.

[14] N.Verrier, and C. Fournier, ”Digital holography super-resolution for accurate three-dimensional reconstruction of particle holograms”, Optics letters, vol. 40(2), pp. 217–220, 2015.

 

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