Optique & IA
L’imagerie sans lentille : quand l’image n’est plus formée par l’optique, mais reconstruite par le calcul.
Un banc de diffraction, une caméra, et des algorithmes qui remontent de la figure de diffraction jusqu’à l’objet — amplitude et phase comprises.
Enlever la lentille, et laisser calculer
Deux façons de fabriquer une image — l’une avec du verre, l’autre avec des équations.
Optique classique
L’image existe déjà sur le capteur : on ne mesure que son intensité.
Sans lentille
L’image est calculée après coup, et l’on récupère l’amplitude et la phase.
- Plus d’aberration d’objectif. La résolution n’est plus limitée par la qualité d’un objectif, mais par l’angle de diffraction que l’on collecte.
- Là où le verre n’existe pas. Rayons X, électrons, ultraviolet extrême : on ne sait pas fabriquer d’objectif performant, le calcul prend le relais.
- On gagne la phase. Une grandeur que l’intensité seule ne donne jamais : épaisseur, indice, déformation, à l’échelle du nanomètre.
Le verrou : le capteur ne compte que des photons
Un seul objet, deux cartes indépendantes : ce qu’il absorbe, et ce qu’il retarde.
La gravure n’absorbe rien : invisible sur une image d’intensité, parfaitement lisible en phase. Or la phase est perdue à la mesure — et c’est elle qui porte l’épaisseur, l’indice et la déformation. Tout le projet consiste à la retrouver.
La clé : éclairer plusieurs fois, en se recouvrant
La ptychographie mise sur la redondance des données plutôt que sur la perfection de l’optique.
- Chaque point de l’objet est vu par plusieurs illuminations voisines.
- Les mesures ne sont plus indépendantes : elles doivent être compatibles entre elles, et cette contrainte suffit à lever l’ambiguïté sur la phase.
- L’algorithme retrouve l’objet — et le faisceau d’éclairage lui-même.
- Aucune information n’est ajoutée : elle était déjà dans les données.
Démonstration : reconstruit à partir des seules intensités
Aucune lentille, aucune image de référence : uniquement 169 figures de diffraction.
Simulation écrite pour ce projet : objet, sonde et bruit de photons simulés, puis reconstruction. Le résultat n’est pas une illustration, c’est une vraie reconstruction numérique.
Ce qui tourne, itération après itération
La phase n’est jamais mesurée ni imposée : c’est la seule inconnue, et on la laisse dériver.
- Phase de départ
Une phase aléatoire dans le plan de Fourier. C’est tout ce qu’on a.
- Transformée de Fourier
De l’objet courant : un module calculé et une phase courante.
- On impose la mesure
Le module calculé est remplacé par la racine de l’intensité mesurée ; la phase n’est pas touchée.
- Retour dans le plan objet
Transformée de Fourier inverse : un nouvel objet apparaît.
- Contrainte objet
Support pour une figure unique, ou produit sonde × objet cohérent sur toutes les positions.
- On recommence
À l’itération suivante la phase a changé ; après quelques centaines de tours, elle a convergé.
Les deux contraintes — module mesuré d’un côté, plan objet de l’autre — poussent la phase vers la seule valeur compatible avec les deux.
La reconstruction, en direct
Tout se passe dans votre navigateur : l’objet est simulé, ses 169 figures de diffraction sont calculées avec leur bruit de photons, puis l’algorithme part d’une page blanche.
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L’objet de départ n’est jamais montré à l’algorithme : il ne reçoit que des intensités. L’amplitude uniforme et la phase nulle du début se déforment position après position, jusqu’à ce qu’une seule solution explique les 169 mesures à la fois. Le quadrillage résiduel visible sur l’amplitude est l’empreinte du balayage — il s’atténue avec les itérations.
Où cela sert déjà
Voir une cellule qui ne se voit pas
Presque transparente, une cellule vivante ne change pas l’intensité : elle retarde l’onde. La phase se convertit en épaisseur optique, donc en masse sèche — sans colorant, sans marqueur, sur plusieurs heures.
Inspecter une puce sans l’ouvrir
Aux longueurs d’onde qui traversent le silicium, l’objectif performant n’existe pas. La diffraction, elle, reste exploitable : quelques nanomètres de résolution, couches enterrées comprises, sans détruire l’échantillon.
Le défaut est sous la surface
On ne cherche pas à voir le défaut, mais la déformation qu’il provoque. Une sollicitation légère, deux mesures, et la différence de phase donne le champ de déplacement — plein champ, sans contact.
Mesurer le nanomètre avec de la lumière
Qualification de miroirs et d’optiques asphériques, contraintes sous charge, défauts de polissage. Ici l’unité de mesure n’est pas le pixel, c’est la longueur d’onde.
Le projet : diffraction et IA
Un banc simple, des mesures réelles, puis un modèle qui apprend à remonter à l’objet.
Optique et mesure
- Banc de diffraction : laser, fentes et objets calibrés.
- Caméra MaixCAM2 : acquisition des profils d’intensité.
- Confrontation au modèle analytique de la diffraction.
L’IA sur les profils
- Génération d’une base de profils simulés.
- Classification du type d’objet, puis régression de sa dimension.
- Test du modèle sur vos propres mesures.
La chaîne complète
- MaixCAM2 vers MQTT, puis traitement sur ordinateur.
- Tableau de bord en temps réel.
- Un système qui tient debout tout seul.
Ce que vous emportez
Quatre compétences qui se travaillent rarement ensemble.
Diffraction, Fourier, phase : la théorie devient un signal que vous mesurez.
Banc, caméra, alignement, calibration — et tout ce qui ne marche pas du premier coup.
Construire un jeu de données propre, entraîner, valider, savoir quand le modèle se trompe.
Du capteur au tableau de bord : un projet qui fonctionne, pas une démonstration.
Candidater au projet
Dix séances pour s’initier à l’imagerie sans lentille et à l’intelligence artificielle, en binôme ou en trinôme. Les premières séances sont consacrées au banc.
Écrire à Didier Orlandi Ouvrir le Moodle du projet