Pour la première fois, les chercheurs ont montré que la méthode d'imagerie non conventionnelle connue sous le nom d'imagerie fantôme peut être réalisée à l'aide d'un dispositif d'éclairage à base de puces. Cette étape importante vers l'imagerie fantôme sur puce pourrait rendre la méthode d'imagerie pratique pour des applications telles que l'imagerie biomédicale à l'échelle de la puce, détection et télémétrie lumineuse (LIDAR), et les dispositifs de détection de l'Internet des objets.

L'imagerie fantôme présente un grand intérêt car elle peut être réalisée avec un détecteur à pixel unique à faible coût au lieu d'un détecteur complexe, et généralement cher, caméra. Lorsqu'il est combiné avec l'approche computationnelle de détection compressée, l'imagerie fantôme peut également atteindre une sensibilité plus élevée et une imagerie plus rapide que les méthodes traditionnelles, en particulier dans les gammes de longueurs d'onde non visibles.

Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Express , des chercheurs de l'Université de Tokyo décrivent comment ils ont remplacé un composant optique volumineux généralement utilisé pour l'imagerie fantôme par un réseau optique en phase (OPA) à puce nouvellement développé qui ne mesure que 4 millimètres sur 4.

"Si peu coûteux, des dispositifs d'imagerie à puce unique ont été commercialisés, cela permettrait un LIDAR à faible coût, qui est la technologie des voitures autonomes, les drones et robots autonomes utilisent pour voir leur environnement, " dit Takuo Tanemura, qui a dirigé l'équipe de recherche. "Aussi, de petits appareils d'imagerie pourraient être intégrés aux smartphones pour permettre une meilleure imagerie 3D et une surveillance des soins de santé. »

Plus rapide, imagerie à moindre coût

L'imagerie fantôme fonctionne en illuminant un objet avec des motifs de mouchetures aléatoires qui changent avec le temps. La corrélation de la puissance optique transmise (ou réfléchie) qui traverse l'objet avec la distribution d'intensité des motifs de speckle permet d'obtenir une image de l'objet.

Bien que cette approche d'imagerie ait été proposée il y a plus de 10 ans, les modulateurs de lumière spatiaux volumineux et lents utilisés pour générer les motifs d'éclairage de speckle ont maintenu l'imagerie fantôme principalement limitée au laboratoire.

Dans le nouveau travail, les chercheurs ont surmonté un défi inhérent à l'application d'OPA à grande échelle, qui utilisent un réseau d'éléments de guide d'ondes intégrés réglables pour contrôler la phase de la lumière. Au lieu d'essayer d'aligner précisément toutes les phases optiques, ce qui est difficile en pratique, ils ont conçu un OPA dans lequel les éléments de contrôle de phase fonctionnent de manière aléatoire. Cela leur a permis de générer des motifs de taches changeant de manière aléatoire qui étaient parfaits pour l'imagerie fantôme.

« Par rapport aux implémentations précédentes de l'imagerie fantôme utilisant des modulateurs spatiaux d'ondes lumineuses qui étaient grands et lents (fonctionnant généralement dans la gamme des kilohertz), l'utilisation d'un multiéléments intégré est beaucoup plus compact et offre un coût moindre, " a déclaré Tanemura. " Notre approche a également le potentiel d'atteindre des vitesses opérationnelles supérieures au gigahertz, ou six ordres de grandeur plus rapide que les approches basées sur la GDT."

Pour créer le motif moucheté aléatoire, les chercheurs ont appliqué des signaux électriques aléatoires changeant rapidement à 128 éléments déphaseurs intégrés sur l'OPA. Ils ont démontré une imagerie 2D avec plus de 90 points résolvables dans la direction X (déterminés par le nombre de déphaseurs) et 14 pixels dans la direction Y (déterminés par le nombre de longueurs d'onde testées). Les résultats concordaient bien avec les prédictions théoriques.

Plus petite, LIDAR moins cher

"Ce type d'appareil d'imagerie pourrait être particulièrement utile pour le LIDAR, qui produit actuellement des images 3D à l'aide d'un miroir mécanique encombrant pour orienter un faisceau laser, " dit Tanemura. " On estime que le coût, La taille et le temps de réponse du LIDAR doivent être réduits de 1 à 2 ordres de grandeur pour être largement déployés dans les voitures grand public non luxueuses. Un dispositif d'imagerie fantôme à l'échelle de la puce pourrait accomplir cela. »

Les chercheurs continueront à travailler pour rendre la nouvelle technologie encore plus pratique. Ils expérimentent des déphaseurs électro-optiques qui pourraient augmenter le fonctionnement de l'OPA à des vitesses au-delà du gigahertz. Ils prévoient également d'augmenter encore la vitesse de balayage et souhaitent intégrer tous les composants optiques sur la même puce que l'OPA pour réaliser une imagerie 2D et 3D sans aucun composant hors puce.

« Si nous sommes capables d'intégrer tous les composants nécessaires, y compris la source lumineuse et le détecteur, sur une puce, alors un dispositif d'imagerie fantôme à puce unique serait possible, " dit Tanemura.