Des chercheurs proposent de combiner l’optique classique et quantique pour l’imagerie à super-résolution

Les chercheurs combinent l'optique classique et quantique pour l'imagerie à super résolution

Rendu conceptuel de l’expérience montrant un éclairage optique modulé spatio-temporellement par un ensemble clairsemé de faisceaux mutuellement cohérents. L’interférence de faisceau produit l’éclairage structuré dans l’espace comme illustré dans la figure principale et les encarts (A) et (B). Un grand volume focal est obtenu parce que chaque faisceau englobe une petite région de support de fréquence spatiale dans le plan de la pupille. La fréquence spatiale centrale des faisceaux balaye la pupille, parcourant un ensemble de modèles d’éclairage complexes avec une structure de fréquence spatiale, les échantillons de l’ouverture numérique complète (NA) de la lentille d’objectif d’éclairage tout au long du cycle de modulation temporelle complet. La figure montre un microscope déplié ; cependant, la détection de l’épi est possible. L’efficacité de la détection pourrait être améliorée en combinant le nombre de coïncidences de photons dans plusieurs directions. (A) Un exemple agrandi de l’intensité lumineuse d’éclairage structuré à 1 échantillon de temps. L’échantillon est placé dans la région de la lame. (B) La structure spatiale de l’intensité d’éclairage dans le plan de la diapositive pour 2 points de temps. (C) Exemples de détection HBT généralisée montrant des cas de 2 et 3 événements simultanés de détection de photons. Crédit: Informatique intelligente (2022). DOI : 10.34133/informatique.0003

La capacité de voir des structures invisibles dans notre corps, comme le fonctionnement interne des cellules ou l’agrégation de protéines, dépend de la qualité de son microscope. Depuis que les premiers microscopes optiques ont été inventés au 17e siècle, les scientifiques ont fait pression pour trouver de nouvelles façons de voir plus de choses plus clairement, à des échelles plus petites et à des profondeurs plus profondes.

Randy Bartels, professeur au département de génie électrique de la Colorado State University, est l’un de ces scientifiques. Lui et une équipe de chercheurs de la CSU et de la Colorado School of Mines sont en quête d’inventer certains des microscopes optiques les plus puissants au monde, capables de résoudre de vastes étendues de matériel biologique avec des détails inimaginables.

Le nom du jeu est la microscopie à super résolution, c’est-à-dire toute technique d’imagerie optique capable de résoudre des choses inférieures à la moitié de la longueur d’onde de la lumière. La discipline a fait l’objet du prix Nobel de chimie 2014, et Bartels et d’autres sont dans une course pour continuer à contourner cela. limite de diffraction pour éclairer les structures biologiquement importantes à l’intérieur du corps.

Bartels, en collaboration avec Jeff Squier, professeur de physique à la Colorado School of Mines, a théorisé une nouvelle technique de super-résolution qui fusionne de manière unique les informations quantiques et classiques dérivées de la lumière pour améliorer considérablement la résolution de l’imagerie. Les mathématiques et la physique derrière leur idée, et pourquoi ils pensent que cela fonctionnera, sont détaillées dans le journal Informatique intelligente. Le document comprend Jeff Field, ancien directeur du Centre d’imagerie et de science de surface du CSU, en tant que co-auteur.

Compter les photons

Leur nouvelle méthode d’imagerie computationnelle fonctionne en comptant avec précision l’arrivée de photons, ou particules quantiques de lumière, émises par un échantillon biologique. Les photons sont excités par impulsions laseret en les comptant une à une avec des détecteurs, un ensemble d’images quantiques et classiques émerge. Les chercheurs appliquent ensuite un algorithme pour produire des images qui résolvent les détails de petites structures, comme les cellules, sur de grandes régions.

“En ce moment, les gens peuvent faire de l’imagerie optique à très haute résolution, mais c’est un peu comme voler au-dessus des montagnes Rocheuses et pouvoir voir tous les arbres, mais pas les détails fins des arbres”, a expliqué Bartels. Il existe d’autres techniques de super-résolution qui permettent à quelqu’un de zoomer, disons, sur une feuille individuelle, a-t-il poursuivi. Mais regarder dans les moindres détails à travers une forêt entière, c’est ce que Bartels et l’équipe recherchent.

“L’idée ici est d’éclairer une grande région de nombreuses cellules, à haute résolution, à grande vitesse et sur un volume élevé”, a déclaré Bartels.

Bartels travaille avec Mines’ Squier depuis plusieurs années. Leur partenariat de recherche combine l’expertise de Bartels en informatique avec l’expertise de Squier en ingénierie optique, créant des optiques personnalisées pour leurs objectifs communs.

“Bien que notre article représente une fusion de classique et la physique quantiqueil est juste de dire qu’il représente également une fusion d’idées à la fois de Mines et de CSU », a déclaré Squier. « Les idées fondamentales de l’article ne se seraient tout simplement pas manifestées sans l’étroite collaboration qui a été établie au cours des dernières années par notre groupes.”

Plus d’information:
Randy A. Bartels et al, Super-Resolution Imaging by Computationally Fusioning Quantum and Classical Optical Information, Informatique intelligente (2022). DOI : 10.34133/informatique.0003

Citation: Des chercheurs proposent de combiner l’optique classique et quantique pour l’imagerie à super-résolution (2023, 25 janvier) récupéré le 25 janvier 2023 sur https://phys.org/news/2023-01-combining-classical-quantum-optics-super-resolution. html

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