Contrôle spatiotemporel de front d’onde pour l'imagerie super-résolue

Spatiotemporal wavefrontshaping for superresolution imaging

• Auteur / Autrice : Guillaume Noetinger
• Direction : Mathias Fink, Sébastien Popoff, Fabrice Lemoult
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/03/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Gigan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathias Fink, Fabrice Lemoult, Emmanuel Bossy, Anne Sentenac, Amaury Axel Badon, Juliette Pierre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Bossy, Anne Sentenac

Mots clés

Mots clés libres

Super-Résolution

Doppler

Imagerie

Microscopie

Acoustique

Optics

Super-Resolution

Doppler

Imaging

Microscopy

Acoustics

Optics

Résumé

De nombreux dispositifs d’imagerie reposent sur la physique des ondes pour leur fonctionnement. Parmi ceux-ci, le microscope occupe une place privilégiée car c’est un outil ancien devenu incontournable dans de nombreux domaines scientifiques notamment en biologie pour observer de petits objets. Cependant, il existe une limite à la taille des objets observables à l’aide de cet outil. Elle est liée au fait que l’on ne peut pas collecter la totalité des ondes émises par l’échantillon observé, c’est la limite de diffraction. De nombreuses méthodes existent désormais pour dépasser cette limite en utilisant des molécules fluorescentes. Ces méthodes étant complexes et invasives, il serait intéressant de pouvoir dépasser cette limite en utilisant des propriétés physiques intrinsèques à la physique des ondes.Dans cette thèse, nous proposons d’améliorer la résolution d’un type particulier de microscope : le microscope confocal. Au lieu d’une illumination constante, nous utilisons une modulation spatiotemporelle du champ envoyé sur l’objet et collecté par le microscope, que nous choisissons comme un champ tournant autour du point focal. Pour chaque point de balayage, on collecte un signal dépendant du temps au lieu d’un scalaire.Cette illumination tournante singularise l’axe optique en comparaison des autres points : seul un émetteur sur l’axe optique renvoie une onde monochromatique constante tandis qu’un émetteur excentré renvoie un signal modulé en fréquence par effet Doppler. Ce signal s’écrit sous la forme d’un peigne de fréquences centré sur la fréquence d’illumination et d’espacement égal à la fréquence de rotation. Chacune de ces fréquences permet de construire une image différente de l’objet qui s’exprime comme la convolution de l’objet et d’une fonction d’étalement du point (PSF) différente. Hormis à la fréquence porteuse, ces PSF s’expriment comme des vortex de phase. Etant donné la diversité d’information acquise sur l’objet et la stabilité topologique des vortex, nous implémentons une procédure de déconvolution robuste au bruit grâce à laquelle nous reconstruisons un objet au-delà de la limite de diffraction.Nous démontrons la possibilité de fabriquer ces vortex de phase avec une illumination tournante ainsi que la viabilité de cette approche d’imagerie confocale dynamique grâce à une expérience d’acoustique. Cette expérience nous a permis de démontrer une amélioration de 70% de la résolution du microscope confocal après déconvolution. Cette méthode permet même d’obtenir des images super-résolues grâce à la diversité d’information apportée par toutes ces images.Pour transposer cette expérience à l’optique, nous ajoutons à un microscope confocal un modulateur spatial de lumière (SLM), ici une matrice de micro-miroirs (DMD), dans le plan de Fourier de l’échantillon. Il est ainsi possible de façonner spatio-temporellement le front d’onde de l’illumination de l’échantillon. Par le calcul et la simulation numérique, nous pouvons calculer les PSF associées à n’importe quelle séquence envoyée au DMD. Nous montrons que ces PSF sont à nouveau des vortex de phase qui transportent des informations différentes et partiellement redondantes sur l’objet. Les hautes fréquences spatiales qui sont habituellement sous le niveau de bruit en microscopie confocale sont mieux transmises. Cela mène au même effet de super-résolution en optique qu’en acoustique. Etant donné le grand nombre de degrés de libertés fournis par le DMD, il existe de nombreuse manière d’illuminer l’échantillon avec un front d’onde tournant. Par la simulation numérique nous développons plusieurs de ces possibilités. Pour l’une de ces possibilités, nous avons expérimentalement obtenu ces signaux et une amélioration de la résolution confocale d’environ 30%.En perspectives, nous montrons qu’il est possible d’enrichir encore l’information extraite de l’objet, d’envisager une expérience similaire en se passant de DMD ou d’appliquer ces concepts à l’astronomie.

Many imaging devices are based on wave physics. Among them, the microscope occupies a special place, being an ancient tool that has become indispensable for observing small objects in many scientific fields, especially in biology. However, there is a limit to the size of objects that can be observed with a microscope. It is related to the fact that we cannot collect all the waves emitted by the observed sample; it is the diffraction limit. There are now numerous methods to overcome this limit by using fluorescent molecules. Since these methods are complex and invasive, it would be interesting to overcome this limit by using physical properties inherent to wave physics.In this dissertation, we propose to improve the resolution of a particular type of microscope: the confocal microscope. Instead of a constant illumination, we use a spatio-temporal modulation of the field sent to the object and detected by the microscope that we choose as a field rotating around the focal point. For each scan point, a time-dependent signal is acquired instead of a single scalar.This rotating illumination singles out the optical axis compared to other points: only an emitter on the optical axis returns a constant monochromatic wave while an off-axis emitter backscatters a signal modulated in frequency by the Doppler effect. This signal can be written as a frequency comb centered on the illumination frequency, the spacing between each peak is the rotation frequency. Each of these frequencies can be used to build a different image of the object expressed as a convolution of the object and a different point spread function (PSF). Except at the carrier frequency, these PSFs are phase vortices. Given the diversity of information obtained about the object and the topological stability of the vortices, we implement a noise-robust deconvolution procedure to reconstruct an object beyond the diffraction limit.We demonstrate the feasibility of producing these phase vortices with a rotating illumination as well as the viability of this dynamic confocal imaging approach using an acoustic experiment. With this experiment, we demonstrated a 70% improvement in the resolution of the confocal microscope after deconvolution. This method even allows us to obtain super-resolved images thanks to the information richness that all these images bring.To apply this experiment to optics, we add a spatial light modulator (SLM), here a digital micro-mirror device (DMD), to a confocal microscope on the illumination or imaging path in the Fourier plane of the sample. This device allows spatiotemporal wavefront shaping of the sample’s illumination. Using computations and numerical simulations, we calculate the PSFs associated with any rotating sequence sent to the DMD. We show that these PSFs are again phase vortices that carry different but redundant information about the object. The high spatial frequencies, which are usually below the noise level in confocal microscopy, are better transmitted. This leads to the same super-resolution effect in optics as in acoustics. Given the large number of degrees of freedom offered by the DMD, there are many ways to illuminate the sample with a rotating wavefront. Through numerical simulation we develop several of these possibilities. For one of these possibilities, we have experimentally obtained these signals and an improvement in confocal resolution of about 30%.In perspective, we show that it is possible to further enrich the information extracted from the object, consider a similar experiment without DMD, or apply these concepts to astronomy.