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6 décembre 2017

Méthodes ”problèmes inverses” pour la reconstruction itérative d’objets transparents en holographie numérique en ligne. Applications à la mécanique des fluides et la microscopie pour la microbiologie


Catégorie : Stagiaire


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 numérique, optique physique, microscopie non conventionnelle.

Durée : 6 mois.
Démarrage prévu : février/mars 2018.
Rémunération : ∼ 600 euros/mois.

 

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 des objets absorbants et/ou déphasants (transparents). L’avènement des capteurs numériques (CCD / CMOS) avec un champ de vue et une résolution pixellique suffisante (de l’ordre du micron) permettent à présent l’acquisition d’hologrammes pouvant être refocalisés numériquement, donnant accès à une information quantitative sur l’indice de réfraction des objets transparents traversés par la lumière incidente (chose impossible en microscopie optique conventionnelle).

Les domaines d’application sont nombreux, allant de la microscopie pour la biologie - imagerie sans lentille ou microscopie défocalisée, à la mécanique des fluides ou la détection de nano-particules. On trouve même des applications en imagerie par rayonnement X synchrotron.

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. Cependant, comme seule l’intensité de l’onde diffractée sur le détecteur est enregistrée, il manque l’information de phase de l’onde sur le plan détecteur, engendrant des indéterminations et donc des artéfacts indésirables sur les reconstructions. Les méthodes employées doivent donc gérer ce manque d’information pour récupérer l’information sur l’indice de réfraction des objets traversés. Dans certaines applications, on multiplie les longueurs d’onde d’illumination (multi-lambda) 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.

État de l’art

Les méthodes usuelles se basent sur l’inversion de la transformée de Fresnel (rétropropagation). En règle générale, les algorithmes de l’état de l’art alternent entre des étapes de rétropropagation des hologrammes au plan de focalisation des objets et de repropagation sur le plan détecteur, avec des traitements intermédiaires (seuillage, débruitage) pour la réduction des artéfacts.

Approche proposée

Les approches de type ”problèmes inverses” offrent de bons résultats. Elles se traduisent en général par des algorithmes de reconstruction itératifs. Des travaux au LaHC ont déjà montré le potentiel de ce type de méthodes appliquées à l’holographie numérique. Parmi les avantages, on peut citer :

Sujet du stage

Le stagiaire recruté participera à la validation et les tests des algorithmes de type ”problèmes inverses régularisés” pour la reconstruction itérative de phase 2D. Les applications visées sont le traitement de données pour la mécanique des fluides - collaboration avec le LMFA, ainsi que pour la microscopie défocalisée appliquée principalement à la microbiologie - collaboration avec un industriel spécialisé en diagnostic biomédical.

Les compétences et intérêts scientifiques abordés durant ce stage, et qui seront consolidés, tourneront essentiellement autour du traitement du signal et de l’image, la résolution de problèmes inverses dédiés à la reconstruction d’images, dans un contexte applicatif touchant à des problématiques d’intérêt académique et industriel.

Ce stage est susceptible de se poursuivre par une thèse sur le sujet.

N’hésitez pas à nous contacter pour des informations complémentaires.

Références bibliographiques

[1] 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.

[2] 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.

[3] 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.

[4] 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.

 

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