Des ingénieurs optiques de l'Université ITMO de Saint-Pétersbourg ont développé une méthode expresse pour estimer la distribution des particules dans des supports optiquement transparents basée sur une analyse de corrélation d'hologrammes. En tant que partie importante de l'étude, ils ont créé un algorithme capable de traiter l'image en quelques secondes. La nouvelle méthode peut être appliquée aux dispositifs d'ingénierie pour surveiller les copeaux métalliques dans l'huile moteur, étudier un plancton dans l'eau, ou traquer des virus dans des cellules vivantes. L'ouvrage a été publié en Rapports scientifiques .

Typiquement, l'holographie est associée à des images tridimensionnelles de reliques de musée, des souvenirs, produits de marquage et panneaux de protection. Mais il est également utilisé dans l'industrie pour étudier la rugosité des surfaces et les déformations des produits.

Dans la nouvelle étude, les scientifiques de l'université ITMO Tatiana Vovk et Nikolay Petrov ont développé une méthode d'analyse expresse de la distribution des particules microscopiques dans des milieux transparents. L'approche est basée sur l'holographie de Gabor, le plus simple et historiquement le premier type d'holographie.

Les résultats expérimentaux traités par un logiciel de simulation informatique ont montré que la méthode analyse rapidement la concentration, diamètre moyen et taux de transparence des particules dans un milieu échantillon.

Tatiana Vovk, chercheur au Département de Photonique et Technologies de l'Information Optique de l'Université ITMO commente :« Il existe de nombreuses façons de visualiser des particules en suspension ou en aérosol, ainsi que des méthodes pour traiter ces images. Mais ils prennent beaucoup de temps, et certains ne peuvent pas faire face à l'analyse de milieux avec des concentrations élevées de particules. Par conséquent, notre objectif était de créer une méthode expresse qui pourrait examiner des échantillons avec n'importe quelle quantité de particules en temps réel et pourrait être prête pour une mise en œuvre industrielle".

A partir de maintenant, les scientifiques ont montré l'opérabilité de base de la méthode, mais ils croient qu'il sera utile dans de nombreuses branches de la science et de l'ingénierie. Sur la base de l'étude, les ingénieurs peuvent construire des dispositifs d'analyse pour la surveillance en temps réel des flux de particules et, par exemple, les utiliser pour déterminer le nombre de particules dans l'huile de la machine. « Le frottement des pièces mécaniques provoque le dégagement de copeaux métalliques dans la graisse. Ils circulent avec l'huile et usent le mécanisme. Le dispositif pourrait aider à évaluer ce niveau d'usure en recherchant la pollution de la graisse, " ajoute Tatiana Vovk.

Les applications biologiques de cette technologie sont intéressantes, également. Selon les scientifiques, leur méthode leur permet d'étudier la pureté des lacs et des rivières grâce à la détermination de la transparence du plancton dans des échantillons d'eau. Ce paramètre, à son tour, indique l'état écologique du réservoir, car les propriétés optiques des micro-organismes dépendent fortement de l'habitat.

Les chercheurs envisagent la possibilité d'adapter cette technologie pour suivre les particules virales dans les cellules vivantes. "Lors de l'exploration des mécanismes de transport du virus, les scientifiques appliquent la microscopie à fluorescence. Une telle analyse nécessite le traitement de grandes quantités de données. Notre méthode peut potentiellement aider à traiter rapidement ces centaines et milliers d'images prises au microscope. Mais nous avons besoin de l'aide de certains experts en biomédecine pour résoudre les problèmes qui se posent et pour bien comprendre comment combiner la microscopie à fluorescence avec l'holographie numérique de la manière la plus efficace, " dit Nikolay Petrov, chef du laboratoire d'holographie numérique et d'affichage à l'université ITMO.

Pour obtenir les paramètres des particules, les chercheurs exposent l'échantillon avec le faisceau laser collimaté et obtiennent l'hologramme numérique de Gabor. Ensuite, ils extraient deux images plates de l'hologramme. La focalisation sur ces images est réalisée par des méthodes informatiques, une simulation mathématique. Le traitement rapide de l'image s'effectue grâce à la fonction de corrélation. Les chercheurs comparent les images et reçoivent ainsi les informations nécessaires sur l'ensemble de la distribution des particules.

L'analyse de corrélation est largement appliquée non seulement dans le traitement d'images, mais aussi en physique statistique et dans d'autres disciplines qui étudient les processus aléatoires. Par exemple, il révèle la corrélation entre les valeurs observées et les types de particules libérées par les collisions à l'intérieur du Grand collisionneur de hadrons.