Imagerie par différentiation spatiale achromatique à large bande basée sur le couplage spin-orbite optique

Introduction

Dans le traitement des images, les différentiations spatiales traditionnelles sont généralement réalisées par calcul numérique électronique. Cependant, de nombreuses applications de big data nécessitent un traitement d’image en temps réel et à haut débit, ce qui constitue un défi majeur pour les calculs numériques. La différentiation spatiale optique pourrait surmonter ce défi car elle permet un traitement en parallèle à grande échelle de l’image entière avec une faible consommation d’énergie. De plus, la différentiation spatiale optique permet d’imager des objets à phase pure (comme les cellules biologiques transparentes), ce que les calculs numériques électroniques ne peuvent pas réaliser. Par conséquent, la différentiation optique a récemment attiré une attention considérable avec des applications en imagerie de cellules sans étiquette, traitement d’image et vision par ordinateur.

Source de l’article

Cet article, intitulé « spin–orbit optical broadband achromatic spatial differentiation imaging », est rédigé par Hongwei Yang, Weichao Xie, Huifeng Chen, Mingyuan Xie, Jieyuan Tang, Huadan Zheng, Yongchun Zhong, Jianhui Yu, Zhe Chen et Wenguo Zhu. Les auteurs sont principalement affiliés à l’Institut de Recherche en Technologie et Information Optoélectroniques de l’Université Jinan à Guangzhou. L’article a été publié en juillet 2024 dans le volume 11, numéro 7 de la revue « Optica ».

Processus de recherche

Objectif de la recherche

Cet article propose une méthode compacte d’imagerie par différentiation spatiale optique achromatique à large bande basée sur le couplage spin-orbite naturel dans les cristaux minces. En insérant un cristal uniaxial avant la caméra du microscope traditionnel, un vortex optique est intégré dans le champ d’image, permettant ainsi une différenciation spatiale topologique de second ordre et la capture d’images différentielles isotropiques.

Dispositifs expérimentaux et méthodes

1. Conception et utilisation du cristal uniaxial : L’axe optique du cristal est perpendiculaire à l’interface du cristal, la permittivité du cristal est ε=diag[n_o², n_o², n_e²], où n_o et n_e sont respectivement les indices de réfraction pour les ondes o et e. En ajustant l’angle d’incidence et le polariseur du cristal uniaxial, il est possible de sélectionner les phases de Berry géométriques et les gradients angulaires du cristal pour réaliser la différentiation spatiale.

2. Calcul des caractéristiques du champ optique : Le champ de lumière polarisée incidente traverse le cristal uniaxial, et le champ lumineux de sortie comporte des composantes de spin non converties et converties. Le processus de conversion de spin applique une modulation d’amplitude et de phase au spectre angulaire du champ de lumière incident. La différentiation par biréfringence sous couplage spin-orbite a été calculée spécifiquement.

3. Montage du système d’imagerie expérimentale : Le système expérimental se compose d’un objectif achromatique plan de 4x et d’un oculaire avec une distance focale de 200 mm. Pour vérifier l’achromaticité, des différentiations spatiales des bords d’objets ont été réalisées sous des sources lumineuses de différentes couleurs.

Résultats expérimentaux et analyse

1. Mesure de la fonction de transfert : En mesurant le spectre sous différentes sources lumineuses colorées, nous avons vérifié l’isotropie de la fonction de transfert et les caractéristiques de phase du vortex. Les résultats expérimentaux correspondent étroitement aux prédictions théoriques.

2. Vérification de la qualité de l’imagerie : Sous illumination rouge, verte, bleue et blanche, la clarté de l’image et le dégradé aux bords des objets sont évidents. Même pour de petits sauts de phase (comme 0.08π), l’imagerie différentielle est capable d’extraire les bords des objets.

3. Imagerie d’échantillons biologiques : En utilisant un microscope à contraste de phase fait maison, l’imagerie de cellules d’épiderme d’oignon et de cellules de mélanome de peau de souris a été réalisée. Les résultats montrent que, en mode de renforcement des bords, les bords des cellules et les détails intracellulaires sont accentués, ce qui facilite le suivi et l’observation de la morphologie cellulaire.

Conclusions et signification

La méthode d’imagerie par différentiation achromatique à large bande basée sur le couplage spin-orbite proposée dans cet article est compacte, isotrope et capable de détection de phase, permettant une imagerie différentielle à haute contraste d’objets en couleur complète. Ses contributions principales incluent :

1. Valeur scientifique : La méthode proposée permet une détection à haute sensibilité des objets à phase pure, surmontant les limites des méthodes précédentes qui ne pouvaient détecter que de grands sauts de phase, ouvrant de nouvelles voies pour les calculs optiques simulés.

2. Valeur applicative : Cette méthode peut être largement appliquée à l’imagerie biologique sans étiquette, au traitement d’image en temps réel et à haut débit, et à la vision par ordinateur, permettant une imagerie à haute contraste de haute qualité des échantillons biologiques transparents.

Points forts de la recherche

1. Méthode novatrice d’imagerie : La méthode d’imagerie par différentiation optique basée sur le couplage spin-orbite utilise des cristaux uniaxiaux et une technique de réflexion amplifiée pour réaliser une différentiation topologique de second ordre.

2. Détection de phase à haute sensibilité : La méthode a réussi à détecter de petits sauts de phase d’objets à phase pure (jusqu’à 0.08π), augmentant considérablement la sensibilité de détection.

3. Exposition complète à l’imagerie biologique : Dans l’imagerie d’échantillons biologiques réels, la méthode montre une performance supérieure de détection des bords et une résistance aux aberrations chromatiques, offrant un nouvel outil pour la recherche biomédicale.

En proposant une méthode innovante d’imagerie par différentiation spatiale achromatique à large bande basée sur le couplage spin-orbite optique, cet article démontre ses vastes perspectives d’application dans le domaine de l’imagerie biologique, fournissant un support technique important pour la microscopie à contraste de phase et les calculs optiques simulés.