New image sensor breaks optical limits
Un nouveau capteur d'image repousse les limites de l'optique
Par Sarah Redmond, Université du Connecticut
Édité par Sadie Harley, relu par Robert Egan
Note de la rédaction : Le laboratoire du professeur Guoan Zheng a mis au point un nouveau capteur d'image qui atteint une super-résolution optique sans lentilles. Inspiré du réseau de télescopes qui a capturé la première image d'un trou noir, ce dispositif utilise plusieurs capteurs fonctionnant de concert, fusionnant leurs observations par calcul pour révéler des détails plus fins. Crédit : Université du Connecticut
Les technologies d'imagerie ont transformé notre façon d'observer l'univers, de la cartographie des galaxies lointaines grâce aux réseaux de radiotélescopes à la découverte des détails microscopiques à l'intérieur des cellules vivantes. Pourtant, malgré des décennies d'innovation, un obstacle fondamental persiste : capturer des images haute résolution à grand champ dans les longueurs d'onde optiques sans lentilles encombrantes ni contraintes d'alignement strictes.
Une nouvelle étude menée par Guoan Zheng, professeur de génie biomédical et directeur du Centre d'innovation en biomédecine et bioingénierie (CBBI) de l'Université du Connecticut (UConn), et son équipe de recherche du Collège d'ingénierie de l'UConn, a été publiée dans Nature Communications. Cette étude présente une solution révolutionnaire qui pourrait redéfinir l'imagerie optique dans les domaines scientifiques, médicaux et industriels.
« Au cœur de cette avancée se trouve un problème technique de longue date », explique Zheng. « L'imagerie par synthèse d'ouverture – la méthode qui a permis au télescope Event Horizon d'imager un trou noir – fonctionne en combinant de manière cohérente les mesures de plusieurs capteurs distincts afin de simuler une ouverture d'imagerie beaucoup plus grande. »
En radioastronomie, cela est possible car la longueur d'onde des ondes radio est beaucoup plus grande, ce qui rend possible une synchronisation précise entre les capteurs. Mais aux longueurs d'onde de la lumière visible, où l'échelle d'intérêt est d'un ordre de grandeur inférieur, les exigences de synchronisation traditionnelles deviennent pratiquement impossibles à satisfaire physiquement.
Crédit : Université du Connecticut
Comment MASI surmonte les barrières optiques
L'imageur à synthèse d'ouverture multi-échelle (MASI) relève ce défi de manière novatrice. Plutôt que de contraindre plusieurs capteurs optiques à fonctionner en parfaite synchronisation physique — une tâche qui exigerait une précision nanométrique —, MASI permet à chaque capteur de mesurer la lumière indépendamment, puis utilise des algorithmes de calcul pour synchroniser les données a posteriori.
Zheng explique que cela revient à faire capturer la même scène par plusieurs photographes, non pas comme des photos classiques, mais comme des mesures brutes des propriétés des ondes lumineuses, puis à laisser un logiciel assembler ces captures indépendantes en une seule image à ultra-haute résolution.
Ce système de synchronisation de phase par calcul élimine le besoin de montages interférométriques rigides qui, jusqu'à présent, ont empêché le déploiement pratique des systèmes d'ouverture synthétique optique.
L'approche d'imagerie unique de MASI
MASI se distingue de l'imagerie optique conventionnelle par deux aspects révolutionnaires. Au lieu d'utiliser des lentilles pour focaliser la lumière sur un capteur, MASI déploie un réseau de capteurs codés positionnés dans différentes parties d'un plan de diffraction.
Une cartouche de balle imagée par MASI. En haut : le champ électrique complexe capturé contient des informations d'amplitude (luminosité) et de phase (couleur). En bas : Ces données permettent une reconstruction 3D à résolution micrométrique, révélant l'empreinte du percuteur, un marquage unique permettant d'associer une douille à une arme spécifique. Crédit : Université du Connecticut.
Chaque capteur capture les figures de diffraction brutes, c'est-à-dire la manière dont les ondes lumineuses se propagent après interaction avec un objet. Ces mesures de diffraction contiennent des informations d'amplitude et de phase, qui sont ensuite extraites par des algorithmes de calcul.
Une fois le champ d'ondes complexe de chaque capteur extrait, le système effectue un remplissage numérique et une propagation numérique des champs d'ondes jusqu'au plan de l'objet. Une méthode de synchronisation de phase par calcul ajuste ensuite itérativement les déphasages relatifs des données de chaque capteur afin de maximiser la cohérence et l'énergie globales de la reconstruction unifiée.
Chaque capteur capture les figures de diffraction brutes, c'est-à-dire la manière dont les ondes lumineuses se propagent après interaction avec un objet. Ces mesures de diffraction contiennent des informations d'amplitude et de phase, qui sont ensuite reconstituées grâce à des algorithmes de calcul.
Une fois le champ d'ondes complexe de chaque capteur reconstitué, le système effectue un remplissage numérique et propage numériquement les champs d'ondes jusqu'au plan de l'objet. Une méthode de synchronisation de phase par calcul ajuste ensuite itérativement les déphasages relatifs des données de chaque capteur afin de maximiser la cohérence et l'énergie globales de la reconstruction unifiée.
Cette étape constitue l'innovation clé : en optimisant les champs d'ondes combinés par logiciel plutôt qu'en alignant physiquement les capteurs, MASI s'affranchit de la limite de diffraction et des autres contraintes imposées par l'optique traditionnelle.
Le résultat ? Une ouverture synthétique virtuelle plus grande que celle de n'importe quel capteur unique, permettant une résolution submicronique et une couverture de champ large sans lentilles.
Avantages et potentiel futur de MASI
Les lentilles conventionnelles, qu'elles soient utilisées dans les microscopes, les appareils photo ou les télescopes, contraignent les concepteurs à faire des compromis. Pour distinguer les détails les plus fins, les lentilles doivent être placées à quelques millimètres de l'objet, ce qui limite la distance de travail et rend certaines tâches d'imagerie impraticables, voire invasives.
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L'approche MASI se passe totalement de lentilles : elle capture les figures de diffraction à quelques centimètres de distance et reconstruit des images avec une résolution submicronique. C'est un peu comme pouvoir examiner les fines crêtes d'un cheveu humain depuis un bureau, sans avoir à l'approcher à quelques centimètres de l'œil.
« Les applications potentielles de la technologie MASI couvrent de nombreux domaines, de la police scientifique et du diagnostic médical à l'inspection industrielle et à la télédétection », a déclaré Zheng.
Mais le plus passionnant, c'est l'évolutivité : contrairement aux systèmes optiques traditionnels dont la complexité augmente de façon exponentielle avec la taille, notre système évolue de façon linéaire, ouvrant la voie à de vastes réseaux pour des applications encore inimaginables.
L'imageur à synthèse d'ouverture multi-échelle (MASI) représente un changement de paradigme en imagerie optique : le calcul permet de surmonter les limitations fondamentales de l'optique physique. En dissociant la mesure de la synchronisation et en remplaçant les lentilles encombrantes par des réseaux de capteurs pilotés par logiciel, le MASI ouvre un nouveau champ d'imagerie haute résolution, flexible et évolutif.
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RESUME
Un nouveau capteur d’image repousse les limites de l’optique.
Une nouvelle technologie d’imagerie, le MASI (Multiscale Aperture Synthesis Imager), permet l’imagerie optique haute résolution à grand champ sans lentilles ni alignement précis des capteurs. Le MASI utilise des réseaux de capteurs codés pour capturer les figures de diffraction et des algorithmes de calcul pour synchroniser et reconstruire les images, surpassant ainsi les limites optiques traditionnelles et permettant une résolution submicronique avec un déploiement évolutif et flexible.
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COMMENTAIRES
Je n'ai pas la possibilité de vous presenter la vidéo de l article et vous recommande une vision directe
L article treés interessant me pousse a entirer des applications nombreuses et en particulier militaaires ;je vous laisse imaginer lesquelles !!!!
XXXXXXXXXXXXXore information: Ruihai Wang et al, Multiscale aperture synthesis imager, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65661-8
Journal information: Nature Communications
Provided by University of Connecticut
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