Multi-Wavelength Speckle Illumination Digital Holography for Parasitic-Reflection Suppression and Macroscopic Topography Reconstruction

La lumière est un outil puissant pour mesurer le monde. Lorsque les scientifiques veulent connaître la forme exacte d'une surface, ils utilisent souvent une technique appelée holographie numérique. Cette méthode fonctionne en divisant un faisceau laser en deux trajectoires : l'une rebondit sur l'objet étudié, et l'autre suit un chemin distinct avant qu'ils ne soient recombinés. Là où les deux faisceaux se rejoignent, ils créent une figure d'interférence, une carte complexe de lignes claires et sombres qui encode la hauteur et la texture de la surface avec une précision incroyable. Parce que les ondes lumineuses sont si sensibles, cette technique peut détecter des changements de hauteur plus petits que la largeur d'un seul atome. Cependant, cette sensibilité extrême est aussi sa plus grande faiblesse. Dans tout système optique, la lumière voyage rarement en ligne parfaitement droite. Elle rebondit sur les lentilles, les fenêtres et le dos des lames de verre, créant des réflexions indésirables qui se mélangent au signal provenant de l'objet. Ces réflexions « parasites » agissent comme des parasites radio, créant des motifs fantomatiques qui déforment l'image finale et rendent toute mesure précise impossible.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Stuttgart et de Carl Zeiss AG a développé une nouvelle façon de faire taire ces parasites sans perdre la clarté de la mesure. Ils ont combiné une technique appelée illumination par speckle avec une méthode utilisant plusieurs couleurs de lumière. Au lieu de projeter un faisceau de lumière lisse et uniforme sur un objet, ils ont utilisé un diffuseur spécial pour éparpiller la lumière en un motif chaotique et granuleux connu sous le nom de champ de speckle. En changeant rapidement ce motif de nombreuses fois et en faisant la moyenne des résultats, ils ont pu isoler mathématiquement la véritable surface de l'objet tout en annulant les réflexions indésirables provenant d'autres surfaces. Cette approche permet de mesurer de grands objets complexes situés derrière du verre ou présentant des textures rugueuses, atteignant un niveau de clarté qui était auparavant hors de portée pour ce type de technologie.

Le cœur du problème réside dans la manière dont la lumière se comporte lorsqu'elle se réfléchit sur plusieurs surfaces. Imaginez regarder une pièce de monnaie à travers un morceau de verre épais. La lumière rebondit sur le devant du verre, puis sur l'arrière du verre, et enfin sur la pièce elle-même. Dans une configuration laser standard, toutes ces réflexions arrivent à la caméra en même temps, interférant entre elles et créant un désordre confus d'ondulations qui cachent les véritables caractéristiques de la pièce. Les tentatives précédentes pour corriger cela impliquaient l'utilisation de sources lumineuses ayant des longueurs de cohérence très courtes, telles que les diodes électroluminescentes (LED), mais cela limitait la profondeur de l'objet pouvant être mesuré. Les chercheurs avaient besoin d'un moyen de conserver les capacités de mesure à longue portée des lasers tout en filtrant le bruit provenant des réflexions supplémentaires.

Pour résoudre ce problème, l'équipe a utilisé une astuce basée sur le comportement unique des motifs de speckle. Lorsqu'une lumière passe à travers un diffuseur, elle crée une texture aléatoire et granuleuse. Cette texture est très spécifique à la distance exacte parcourue par la lumière. Si la lumière se réfléchit sur une surface située légèrement plus près ou plus loin que l'objet principal, le motif de speckle qu'elle transporte sera complètement différent de celui de l'objet principal. Les chercheurs ont mis en place une expérience où ils ont enregistré des centaines d'hologrammes d'un objet, en décalant à chaque fois le diffuseur légèrement pour créer un nouveau motif de speckle unique. Ils ont ensuite utilisé une mesure de référence d'un miroir parfait pour calibrer chacune de ces images. Lorsqu'ils ont combiné mathématiquement toutes ces images, le signal de l'objet principal, qui restait cohérent par rapport à la référence, s'est accumulé pour devenir clair et fort. Les signaux des réflexions indésirables, cependant, changeaient de manière aléatoire avec chaque nouveau motif. Comme ils n'étaient pas synchronisés avec l'objet principal, ils se sont annulés les uns les autres, s'effaçant dans l'arrière-plan comme du bruit dans une pièce bondée.

Les chercheurs ont testé cette méthode sur plusieurs scénarios difficiles. D'abord, ils ont examiné une lame de microscope standard, une fine pièce de verre qui réfléchit naturellement la lumière de ses surfaces avant et arrière. Avec un faisceau laser lisse, la réflexion de la surface arrière créait des franges fortes et distrayantes qui ruinaient l'image. Lorsqu'ils sont passés à leur nouvelle méthode de speckle et ont fait la moyenne de 100 motifs différents, ces franges ont disparu, laissant une vue nette de la surface avant. Ils ont constaté que l'efficacité de ce nettoyage dépendait de la « granularité » de la lumière ; un motif plus fin et plus chaotique supprimait mieux le bruit. Dans leur meilleure configuration, ils ont réduit le bruit de l'image d'un facteur six par rapport à la méthode standard.

Ensuite, ils sont passés à un objet plus complexe : une pièce de cinq centimes placée derrière une lamelle de couverture. La pièce possède une surface rugueuse et irrégulière avec des lettres et des motifs en relief. La lamelle ajoutait une couche de réflexion indésirable qui, avec un éclairage standard, obscurcait complètement les détails de la pièce, transformant l'image en un tourbillon chaotique d'erreurs. Avec la nouvelle technique de speckle, la pièce est apparue clairement. Les chercheurs ont mesuré la hauteur de la surface de la pièce et ont constaté que le bruit était passé de plus de 54 micromètres à seulement 5 micromètres. Cela signifiait que les détails fins de la pièce, qui étaient auparavant cachés, pouvaient désormais être vus et mesurés avec une grande précision. La méthode a réussi à préserver les bords nets des chiffres en relief tout en éliminant l'interférence fantôme du verre.

Enfin, l'équipe a démontré que cette technique pouvait mesurer des objets s'étendant sur une grande distance. Ils ont disposé trois blocs métalliques à des hauteurs différentes, séparés par des intervalles d'environ 10 millimètres, créant une plage de mesure totale de plus de 20 millimètres. Ils ont placé une lamelle de couverture devant les blocs pour introduire le même type de réflexions parasites. Avec une seule mise au point de la caméra, ils ne pouvaient pas voir les trois blocs clairement en même temps. Cependant, comme la l'holographie numérique permet un « refocusing numérique », ils pouvaient déplacer numériquement la mise au point sur chaque bloc l'un après l'autre. La méthode de speckle garantissait que, lors de la mise au point sur un bloc, les réflexions de la lamelle et des autres blocs étaient supprimées. En combinant les mesures prises à huit longueurs d'onde laser différentes, ils ont pu assembler les données en une seule carte 3D continue. Le résultat final montrait les trois blocs à leurs positions exactes connues, avec une erreur de seulement deux micromètres, prouvant que la méthode peut gérer des objets multicouches complexes sans nécessole de balayage mécanique.

Le succès de ce travail repose sur un équilibre délicat. Les chercheurs ont dû s'assurer que les motifs de speckle étaient suffisamment différents pour annuler le bruit, mais suffisamment similaires pour préserver les détails de l'objet. Ils ont découvert qu'utiliser une gamme spécifique de motifs lumineux permettait de supprimer les réflexions indésirables provenant de surfaces situées à plus d'un millimètre, tout en gardant l'image de la surface cible nette. Cette approche ne nécessite ni de déplacer la caméra ni l'objet, ni de changer la source lumineuse pour une source moins puissante. Au lieu de cela, elle utilise la mathématique de la moyenne pour séparer le signal du bruit. Bien que le processus nécessite la capture de milliers d'images, ce qui prend du temps, il ouvre la porte à la mesure d'objets réels complexes qui étaient auparavant trop difficiles à analyser avec des outils optiques de haute précision. Le résultat est une méthode robuste pour voir la véritable forme des choses, même lorsqu'elles sont cachées derrière du verre ou entourées de réflexions confuses.