Filtres coupe-bande à couches minces comme plates-formes pour le traitement d'images biologiques

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 4494 (2023) Citer cet article

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De nombreuses opérations de traitement d'images impliquent la modification du contenu fréquentiel spatial des images. Ici, nous démontrons le filtrage de fréquence spatiale objet-plan utilisant la sensibilité angulaire d'un filtre coupe-bande spectral commercial. Cette approche du traitement d'image tout optique génère des images pseudo-3D en temps réel d'échantillons biologiques transparents et autres, tels que des cellules cancéreuses cervicales humaines. Ce travail démontre le potentiel des approches non locales et non interférométriques du traitement d'image pour des utilisations dans l'imagerie cellulaire biologique sans étiquette et la surveillance dynamique.

Les objets transparents, y compris la plupart des cellules biologiques, interagissent faiblement avec la lumière, ce qui entraîne peu de contraste dans la microscopie conventionnelle à fond clair. Cependant, les variations spatiales de leur morphologie et de leurs propriétés optiques introduisent des variations de phase locales sur la lumière transmise à travers eux. Dans le cas le plus simple, cela peut être caractérisé par une fonction de transmission \(O(x,y) \approx O_0 e^{i\varphi (x,y)}\). L'amplitude approximativement spatialement invariante \(O_0\) produit une image d'intensité sans caractéristiques \(|O(x, y)|^2 = |O_0|^2\), tandis que les informations de forme et d'indice de réfraction sont contenues dans la fonction de phase \(\varphi (x,y)\). De telles variations de phase ne peuvent pas être détectées directement par des caméras conventionnelles et nécessitent donc une détection indirecte. Les méthodes de visualisation de phase optique populaires incluent l'imagerie Schlieren1, ainsi que le contraste de phase de Zernike2, le fond noir3 et la microscopie à contraste interférentiel différentiel4. Cependant, ceux-ci peuvent nécessiter des composants coûteux ou un accès au plan de Fourier qui augmente la complexité et la taille du système. Les méthodes numériques comprennent la ptychographie5,6,7, l'utilisation du transport de l'équation d'intensité8,9,10 ou des algorithmes de récupération de phase tels que les algorithmes de Gerchberg-Saxton11 et Fienup12. Cependant, ceux-ci peuvent être limités par leurs exigences de calcul importantes.

Le traitement d'image tout optique dans le plan objet offre une alternative non interférométrique et compacte pour la visualisation de phase. Il est activé par des systèmes optiques linéaires invariants dans l'espace 2D, tels que des films minces13,14, avec des sensibilités angulaires qui filtrent directement la fréquence spatiale des champs d'onde15. Contrairement aux méthodes informatiques ou tout-optiques courantes utilisant la configuration \(4f\)16 classique, elle évite les pertes d'informations de phase optique, le post-traitement consommateur d'énergie et les configurations volumineuses associées à l'accès aux plans de Fourier. L'importance des systèmes optiques compacts pour le traitement d'image tout optique dans le plan objet est motivée par le potentiel d'intégration dans des appareils portables. Cela peut avoir des applications aussi diverses que le diagnostic mobile, la surveillance environnementale et la télédétection.

Pour expliquer comment un dispositif présentant une dispersion angulaire peut effectuer un traitement d'image, nous ignorons tout effet de polarisation pour plus de simplicité. Dans ce cas, l'impact du filtrage de Fourier plan-objet sur le spectre de fréquences spatiales du champ peut être décrit par une fonction de transfert optique \({\mathscr {H}}(k_x, k_y)\)17. En prenant l'axe \(z\) comme axe optique, \(k_{x}\) et \(k_{y}\) désignent les composantes transversales de fréquence spatiale du vecteur d'onde \(\vec {k} = (k_x, k_y, k_z)\) et \(k_z = \sqrt{|\vec {k}|^2 - k_x^2 - k_y^2}\). La fonction de transfert relie la sortie traitée au champ d'entrée par le théorème de convolution,

où \({\mathscr {F}}\) désigne la transformée de Fourier, \(E\) représente toute composante du champ électrique et \(\tilde{E}_{\text {in}} = {\mathscr {F}}\left\{ E_{ \text {in} } \right\}\). Par exemple, les filtres passe-haut bloquent les basses fréquences spatiales pour éliminer les composants de champ non diffusés pour la détection des contours18, ce qui est fondamental pour la compression des données19 et la vision industrielle20,21. Une sous-classe notable est celle des fonctions de transfert optique linéaires, c'est-à-dire \({\mathscr {H}} \propto k_x\) ou \({\mathscr {H}} \propto k_y\), qui peuvent calculer les dérivées spatiales, jusqu'à une constante multiplicative, d'un champ d'onde entrant le long de la direction \(x\) ou \(y\), respectivement. En conséquence, les gradients de phase peuvent être mappés aux variations d'intensité pour permettre la visualisation de la phase dans le cas d'échantillons transparents13. L'influence de la polarisation peut être incorporée dans cette approche en utilisant un tenseur dyadique de fonction de transfert \(2\fois 2\).

La sensibilité angulaire fournit le mécanisme de traitement d'image par la correspondance entre les angles d'incidence et les fréquences spatiales. Ceci est donné en représentant les composantes de fréquence spatiale en coordonnées sphériques15,

où \(k_0=|\vec {k}|\) est le nombre d'onde, tandis que \((\theta , \phi )\) sont les angles de propagation polaire et azimutale des ondes planes par rapport à l'axe \(z\). Étant donné que les fonctions de transfert optique représentent les réponses des ondes planes dans l'espace \(k\) et que la lumière peut être décomposée en ondes planes pondérées par la transformée de Fourier spatiale15,22, il s'ensuit que les dispositifs présentant une transmission dispersive angulaire sont capables de traiter l'image dans le plan objet.

Récemment, les dispositifs méta-optiques ont attiré une attention considérable en tant que processeurs d'images ultra-compacts23. Par exemple, Zhou et al.24 ont utilisé des cristaux photoniques pour la détection des bords d'échantillons organiques, tandis que Wesemann et al.25 ont obtenu des images en contraste de phase de cellules cancéreuses humaines à l'aide d'un réseau de guide d'ondes résonant. D'autres approches ont impliqué les résonances Mie26,27 ou Fano28, les effets de couplage spin-orbite photonique29,30 et les états liés dans le continuum31. Avec cet intérêt croissant pour la méta-optique, il est opportun de considérer d'autres éléments optiques capables de jouer un rôle équivalent. Des travaux antérieurs ont étudié diverses structures pour la détection des contours telles que les filtres d'hologramme de volume32, les étalons Fabry-Pérot33, les filtres interférentiels désaccordés34,35, les modulateurs acousto-optiques36 et les réseaux37,38,39. À l'exception des méthodes de contraste de phase du plan de Fourier, l'émergence de méthodes numériques réussies pour le traitement d'image a freiné les progrès des techniques tout optique. Cependant, cela est revu à la lumière de l'augmentation rapide des données générées et de son impact associé sur la consommation d'énergie et les taux de traitement.

Ici, nous démontrons l'utilisation d'un filtre à encoche spectrale à couche mince disponible dans le commerce appliqué à l'imagerie par contraste de phase d'échantillons transparents. Les filtres coupe-bande sont des filtres coupe-bande couramment utilisés dans divers types de spectroscopie pour supprimer les fréquences temporelles sur une plage spécifique40,41. La dispersion angulaire de la bande de réjection du filtre produit un filtre de fréquence spatiale passe-haut à la longueur d'onde de fonctionnement. L'approche présentée ici est basée sur l'introduction d'un biais de phase en inclinant le filtre par rapport à l'axe optique pour produire des images pseudo-tridimensionnelles similaires à celles obtenues en microscopie à contraste interférentiel différentiel. Le contraste généré est déterminé par l'axe et l'angle de rotation, tandis que le champ de vision et la résolution des images sont déterminés par les spécifications du système optique. Nous démontrons une imagerie de contraste améliorée des champs d'ondes introduits par un modulateur spatial de lumière et des échantillons biologiques non colorés. Nos résultats confirment l'imagerie instantanée en contraste de phase sans post-traitement, permettant une imagerie directe avec une caméra ou l'œil. Le procédé fournit une approche alternative tout-optique pour le traitement d'image biologique et autre avec des capacités d'imagerie comparables aux procédés conventionnels mais en utilisant un filtre coupe-bande spectral prêt à l'emploi. Leur disponibilité et la simplicité de l'approche proposée en font une technique rapide et utile pour obtenir un aperçu des images à contraste de phase dans n'importe quel système d'imagerie. Il a donc le potentiel pour des développements en vision artificielle, en imagerie biologique et en surveillance dynamique.

Le dispositif étudié ici est un filtre coupe-bande obtenu dans le commerce (Thorlabs NF633-25), qui a une longueur d'onde de fonctionnement centrale spécifiée de 633 nm et une bande passante de 25 nm à incidence normale. Les spectres de transmission du dispositif en fonction de l'angle d'incidence ont été mesurés expérimentalement en utilisant la configuration de la Fig. 1, avec des détails fournis dans la section "Méthodes". La lumière blanche collimatée d'une lampe halogène a été passée à travers le filtre coupe-bande à différents angles d'incidence et focalisée sur un spectromètre. Les résultats (Fig. 2a) obtenus en utilisant une lumière polarisée circulairement sont conformes aux spécifications du fabricant. En attendant, les résultats pour la lumière polarisée \(p\) et \(s\) sont donnés dans les informations complémentaires (§S1.1). Ces résultats confirment la réjection de bande à la longueur d'onde de fonctionnement avec une largeur de bande d'environ 25 nm, ainsi que le décalage vers le bleu de la région d'arrêt de bande avec un angle d'incidence croissant. En notant la correspondance entre les angles d'incidence et les fréquences spatiales, on constate que le filtre coupe-bande supprime les basses fréquences spatiales associées à des angles d'incidence proches de la normale à la longueur d'onde coupe-bande.

La configuration expérimentale utilisée pour capturer les spectres de transmission du filtre coupe-bande. Ici, LP et QWP désignent respectivement un polariseur linéaire et une plaque quart d'onde. Le schéma n'est pas à l'échelle.

Les fonctions de transfert de modulation \(\vert{\mathscr {H}}(k_x, k_y)\vert\) pour \(p\)-, \(s\)- et les polarisations circulaires ont été cartographiées à partir des spectres de transmission mesurés sur la Fig. 2a. Les profils de ligne le long de \ (k_y = 0 \) (Fig. 2b) à la longueur d'onde coupe-bande présentent un comportement passe-haut approximativement insensible à la polarisation avec une zone de suppression de la plage d'ouverture numérique (NA) \ (0,20 \). Ceci est une conséquence du décalage vers le bleu de la longueur d'onde coupe-bande avec l'augmentation de l'angle d'incidence. Une caractéristique importante de l'appareil est la région de dépendance linéaire approximative sur \(k_x\) de zéro à une transmission proche de l'unité au-delà de la zone de suppression. Ceci est pris en charge par l'ajustement linéaire (Fig. 2c) de la fonction de transfert de modulation pour la polarisation circulaire de \(k_x/k_0 \environ 0,20\) à \(0,30\), représentée par la relation \(A k_x/k_0 + B\). La fonction polyfit et la boîte à outils d'ajustement de courbe dans MATLAB ont été utilisées pour obtenir les paramètres d'ajustement et leurs intervalles d'erreur sous la forme \(A = 5,9 \pm 0,83\) et \(B = -0,97 \pm 0,22\). La rotation du filtre de \({12}^\circ\) autour d'une ligne perpendiculaire à l'axe optique décale l'opération vers \(k_x/k_0 \approx \pm 0,20\) pour accéder à cette région, appelée ici la zone de contraste. Cette caractéristique du dispositif permet de visualiser les variations de phase dans les champs d'onde sous la forme de changements d'intensité.

La réponse de transmission expérimentale du filtre obtenue en faisant tourner progressivement le filtre (a). La ligne pointillée en (a) indique la longueur d'onde d'arrêt de bande de 633 nm et les flèches indiquent la largeur de la région d'arrêt de bande à une incidence normale. Le carré du module de la fonction de transfert de modulation selon \(k_y=0\) pour différentes polarisations (b) est comparé aux données fournies par le constructeur. L'ajustement linéaire de la fonction de transfert de modulation pour la polarisation circulaire dans la zone de contraste est donné en (c).

Pour expliquer comment le filtre coupe-bande génère un contraste lié aux gradients de phase dans un champ d'ondes, considérons des ondes planes monochromatiques normalement incidentes \(E_s(x,y,z)\) de longueur d'onde \(\lambda\) et de vecteur d'onde \(\vec {k}\) se propageant le long de l'axe z. La source éclaire un échantillon transparent avec une fonction de transmission \(O(x, y) = O_0 e^{i \varphi (x, y)}\). Sa visualisation nécessite de mettre en évidence les déphasages conférés à la lumière transmise à travers elle, qui peuvent être modélisés comme

où nous avons ignoré les effets vectoriels ici pour plus de simplicité. Étant donné la propriété suivante pour la transformée de Fourier des dérivées,

puis une fonction de transfert optique linéaire et Eq. (3) substitué dans Eq. (1) produit la dérivée spatiale de \(O(x,y)\),

Cela génère des images d'intensité proportionnelles à \(| \partial \varphi (x,y)/\partial x |^2\) ou \(| \partial \varphi (x,y)/\partial y |^2\), avec un contraste créé dans les régions où la phase varie le long de la direction de différenciation.

Le filtre coupe-bande produit approximativement la dérivée spatiale autour d'un décalage angulaire à l'intérieur de la zone de contraste. Opérer près du bord de la zone de contraste à un angle de rotation d'environ \({12}^\circ\) supprime les composantes de basse fréquence spatiale, ne laissant que des gradients de phase relativement importants correspondant aux bords des images, comme indiqué dans les informations supplémentaires (§S1.2). Par conséquent, les images produites seraient comparables à celles obtenues en imagerie Schlieren et en microscopie à fond noir. Le déplacement de l'opération à l'intérieur de la zone de contraste à un angle de rotation de \({14}^\circ\), correspondant à une fréquence spatiale normalisée de \(k_x/k_0 \environ 0,24\), préserve une partie du champ de fond permettant la discrimination entre les gradients de phase positifs et négatifs. Ceux-ci se manifestent par différents niveaux de gris au-dessus ou au-dessous de l'origine décalée de l'espace \(k\), respectivement. Par conséquent, le fonctionnement dans la zone de contraste permet la visualisation de la phase en mappant les variations de phase aux changements d'intensité. La présence de certains composants non diffusés conserve un fond d'intensité non nulle qui le distingue de l'imagerie en champ noir. Il crée à la place un contraste pseudo-tridimensionnel, similaire à celui observé dans la microscopie à contraste interférentiel différentiel, via des informations sur le signe du gradient. De plus, le type de contraste peut être contrôlé en modifiant l'axe de rotation pour visualiser les gradients de phase dans différentes directions. Ceux-ci forment les fondements clés de cet article pour décrire la capacité des filtres coupe-bande pour la visualisation de phase.

Un traitement d'image tout optique a été effectué expérimentalement sur divers échantillons avec le filtre coupe-bande en utilisant une lumière laser à polarisation circulaire de 635 nm. La détection des bords des échantillons d'amplitude a d'abord été démontrée sur une cible de test de résolution de l'USAF, avec des détails et des résultats fournis dans les informations supplémentaires (§S1.2). L'imagerie par contraste de phase a ensuite été réalisée en utilisant la configuration de la figure 3, qui est détaillée dans la section "Méthodes". Un modulateur spatial de lumière contrôlé par ordinateur, comprenant 1920 \(\times\) 1080 pixels à cristaux liquides de pas \({8}\,\upmu \hbox {m}\), émulait les profils de phase des globules rouges humains (Fig. 4a). Ceux-ci ont été modélisés en utilisant les propriétés optiques fournies dans la Réf.42. La lumière collimatée réfléchie par le modulateur spatial de lumière a été imagée sur le filtre coupe-bande, qui a été tourné dans le plan focal entre les objectifs de microscope appariés pour assurer le fonctionnement dans la zone de contraste de l'appareil. Les images transmises ont ensuite été captées par une caméra. Le champ de vision du système était défini par l'ouverture du modulateur spatial de lumière et les composants optiques.

La configuration expérimentale pour le traitement d'image avec un modulateur spatial de lumière (SLM), où L et MO désignent respectivement des lentilles et des objectifs de microscope. Le schéma n'est pas à l'échelle.

Les résultats sont présentés dans les Fig. 4b – e, où les images simulées et expérimentales sont comparées. Une image de contrôle expérimentale (Fig. 4b) affiche un contraste médiocre, rendant l'objet pratiquement invisible comme prévu pour les échantillons faiblement absorbants. Ceci a été obtenu en capturant l'image en l'absence du filtre coupe-bande en utilisant la configuration de la Fig. 3. Une image de phase simulée (Fig. 4c) a été obtenue à l'aide de simulations numériques effectuées en Python, qui sont détaillées dans la section "Méthodes". L'image de phase expérimentale correspondante (Fig. 4d) a été obtenue à l'aide du filtre notch tourné dans la configuration de la Fig. 3. Dans les cas simulés et expérimentaux, le filtre notch a été tourné d'un angle de \ ({14} ^ \ circ \) pour accéder à la zone de contraste. Ceux-ci ont conservé certaines contributions non diffusées qui ressortent de leurs fonds d'intensité non nulle. Dans les deux cas, les régions où un changement de phase est présent, c'est-à-dire \(\nabla \varphi (x,y) \ne 0\), sont révélées avec un contraste d'intensité résultant de modulations de phase autrement invisibles.

Le traitement d'image a été effectué sur un globule rouge transparent (a) émulé par un modulateur spatial de lumière avec une excursion de phase de \(6\pi /5\). Une image de contrôle expérimentale obtenue en l'absence du filtre coupe-bande est donnée en (b), tandis que les images de phase simulées (c) et expérimentales (d) produites par le filtre coupe-bande démontrent la visualisation de la phase. Les images d'intensité (b) à (d) sont normalisées à leurs pixels les plus brillants, tandis que les profils de ligne le long des lignes pointillées illustrées en (a), (c) et (d) sont donnés en (e).

La résolution micrométrique, indiquée par les barres d'échelle sur les images de la Fig. 4a à d, a été déterminée par le système optique. Les images de phase résultantes possédaient en outre la capacité de distinguer les gradients de phase positifs et négatifs, conduisant à l'apparition d'un contraste de phase pseudo-tridimensionnel. De plus, les profils de ligne (Fig. 4e) présentent des variations d'intensité associées à la variation de phase introduite dans le champ par l'échantillon. Certains artefacts d'intensité peuvent également être observés, tels que ceux résultant de variations d'amplitude dans le champ et les artefacts de sonnerie associés au phénomène de Gibbs qui entourent l'échantillon.

Pour illustrer les applications potentielles, la microscopie à contraste de phase a été réalisée sur des échantillons biologiques à faible contraste d'amplitude. Ceci a été réalisé en utilisant une configuration de microscope inversé représentée sur la figure 5a et décrite dans la section "Méthodes". Une lignée cellulaire (HeLa) dérivée du cancer du col de l'utérus humain a été utilisée comme échantillon avec les étapes de préparation décrites dans la section "Méthodes". Leur image en champ clair (Fig. 5b) obtenue en l'absence du filtre coupe-bande affiche un contraste médiocre, avec peu ou pas de détails sur les caractéristiques cellulaires. Cependant, placer le filtre coupe-bande immédiatement sous l'échantillon a permis de visualiser les variations de phase lorsqu'il est éclairé par une lumière laser de 635 nm à un angle d'incidence de \({14}^\circ\). L'image en contraste de phase (Fig. 5c) obtenue dans la zone de contraste contient des détails morphologiques absents de l'image en champ clair correspondante, tels que ceux mis en évidence dans les cercles en pointillés. Le contraste de phase produit est considérablement amélioré par rapport à l'image en champ clair à contraste relativement faible. L'épaisseur cellulaire et les écarts locaux d'indice de réfraction sont accentués pour discriminer les cellules de leur fond.

L'imagerie de la phase biologique a été réalisée en utilisant le schéma expérimental en (a). La ligne pointillée représente les cellules HeLa dans une boîte de Pétri et le schéma n'est pas à l'échelle. Une image en champ clair des cellules HeLa obtenues sans le filtre coupe-bande est donnée en (b). L'image à contraste de phase correspondante obtenue à l'aide du filtre est donnée en (c) et une image à contraste interférentiel différentiel en (d). Les cercles en pointillés indiqués dans (b) à (d) mettent en évidence les régions où le contraste a été considérablement amélioré à des fins de comparaison.

Comme base de comparaison, une image de contraste d'interférence différentielle conventionnelle a été obtenue des mêmes régions des cellules en utilisant la configuration décrite dans la section "Méthodes". L'image résultante (Fig. 5d) affiche également un contraste de phase significatif par rapport à l'image en champ clair (Fig. 5a). La qualité de l'image s'avère similaire à l'image associée obtenue avec le filtre coupe-bande (Fig. 5b). De plus, les deux images ont été prises dans une configuration de microscope, dont la résolution était déterminée par ses composants optiques sous-jacents. La résolution micrométrique a été obtenue comme indiqué par les barres d'échelle dans les images. En conséquence, des caractéristiques de l'ordre du micromètre ont été résolues par le système et révélées par le filtre coupe-bande.

Inspirés par le récent regain d'intérêt pour l'imagerie méta-optique, ces résultats représentent la première démonstration du traitement d'images biologiques à l'aide d'un filtre coupe-bande disponible dans le commerce. Le contenu fréquentiel spatial des images était directement modifié par l'appareil dans le plan objet sans avoir besoin d'accéder au plan de Fourier. La fonction de transfert présentait le comportement requis pour le filtrage passe-haut permettant la détection des contours, en plus de régions approximativement linéaires permettant la visualisation de phase par différenciation spatiale. La rotation du filtre permettait d'accéder à ces régimes pour décaler l'origine de Fourier dans l'espace \(k\).

Le contraste obtenu dans les images était significativement amélioré par rapport aux images associées sans le filtre coupe-bande. Les régions de variation de phase correspondaient à des modulations d'intensité dans l'image filtrée. La qualité des images était compétitive avec celles obtenues en microscopie à contraste interférentiel différentiel. Ce dernier utilise des effets d'interférence pour générer un contraste pseudo-tridimensionnel dans les images le long de l'orientation d'un prisme de Wollaston. D'autre part, le filtre coupe-bande a généré un contraste comparable déterminé par le sens de rotation sans composants relativement coûteux ou encombrants. La microscopie à contraste de phase de Zernike visualise de la même manière la phase des champs d'ondes par filtrage de fréquence spatiale. Cependant, cette méthode de plan de Fourier ne peut pas faire la distinction entre les gradients de phase positifs et négatifs des champs d'onde contrairement au filtre coupe-bande. De plus, des artefacts sont également produits dans les images si les gradients de phase sont trop forts. Dans le cas du filtre coupe-bande, les gradients de phase sont décalés hors de la zone de contraste s'ils sont trop forts et n'apparaissent donc pas dans l'image. Cependant, des artefacts peuvent survenir en raison de l'épaisseur du filtre.

Il a été montré dans les informations complémentaires (§S1.2) que le filtre coupe-bande était capable de produire des images similaires à celles obtenues en imagerie Schlieren en opérant près du bord de la zone de contraste. La méthode Schlieren consiste à bloquer les fréquences spatiales positives ou négatives d'une image. De même, le filtre coupe-bande supprime les fréquences spatiales en dessous de l'origine décalée de l'espace \(k\) près du bord de la zone de contraste, tandis que celles au-dessus sont transmises, correspondant ainsi approximativement à la méthode de Schlieren. De plus, le fonctionnement dans la zone de suppression conduirait à une forte suppression de la transmission de la lumière à travers le filtre coupe-bande, associée à l'exclusion des basses fréquences spatiales comme dans la microscopie à fond noir. Cela produirait des images de champ sombre d'échantillons transparents qui améliorent les caractéristiques de forte variation de phase, telles que leurs bords, sur un fond sombre. En conséquence, les filtres coupe-bande commerciaux offrent une alternative relativement rentable et facilement disponible pour la visualisation de phase non interférométrique par traitement d'image sans équipement coûteux supplémentaire. Ils sont capables de produire des images de contraste et de qualité compétitifs par rapport aux autres méthodes de visualisation de phase, particulièrement utiles dans les cas où celles-ci sont indisponibles ou trop chères. La résolution et le champ de vision des images obtenues avec le filtre ne sont limités que par le système optique dans lequel ils sont utilisés.

Bien que la région d'arrêt de bande soit limitée à la bande visible, divers filtres ont été conçus avec une couverture sur tout le spectre électromagnétique. Par exemple, Yuan et al.43 ont présenté un filtre photonique utilisable dans la bande d'absorption du gaz acétylène. D'autres incluent des filtres térahertz44, infrarouges45, micro-ondes46,47 et ultraviolets commerciaux. Celles-ci offrent un potentiel d'imagerie de phase sur tout le spectre à l'aide des méthodes décrites dans cet article, avec des applications en vision artificielle et en imagerie biologique au-delà de la plage visible. La surveillance biologique en direct est possible avec le filtre coupe-bande révélant dynamiquement la dynamique structurelle des spécimens à travers leurs variations de phase à l'aide de capteurs d'imagerie existants. D'autres applications incluent la surveillance environnementale et l'intégration dans des capteurs conventionnels portables pour former des détecteurs sensibles à la phase. L'incorporation de filtres coupe-bande dans leurs plans de détection introduirait une sélectivité de fréquence spatiale et des variations de phase dans des dispositifs basés sur l'intensité, autrement aveugles.

Bien que le contraste de phase ait été produit par le filtre coupe-bande, son comportement dans la zone de contraste n'était pas parfaitement linéaire. De plus, son ouverture numérique restreinte limite la gamme d'échantillons auxquels elle pourrait être appliquée. La large plage angulaire de la zone de suppression limite également le contraste à des éléments suffisamment nets. Non seulement la gamme d'échantillons est limitée, mais elle nécessite une rotation du filtre coupe-bande. Enfin, la modélisation théorique et numérique présentée ici n'inclut pas l'épaisseur non négligeable du filtre coupe-bande, qui peut introduire des perturbations dans le trajet du faisceau. Ceci peut conduire à l'apparition d'aberrations telles que celles des images rehaussées de bords dans les informations complémentaires (§S1.2). Cependant, le succès des expériences réalisées ici donne l'assurance que les filtres coupe-bande peuvent être utilisés comme alternative aux méthodes d'imagerie à contraste de phase existantes. De plus, des dispositifs à couches minces personnalisés pourraient être développés avec des épaisseurs réduites pour minimiser les aberrations et adapter la fonction de transfert.

En conclusion, cet article a démontré le traitement d'images en temps réel, tout optique, plan objet à l'aide d'un filtre coupe-bande spectral commercial. Les mesures spectroscopiques ont vérifié la réjection de bande dispersive angulaire nécessaire pour le filtrage de fréquence spatiale passe-haut et l'imagerie par contraste de phase. La détection des bords était réalisable à travers la zone de suppression où les composants de champ non diffusés étaient supprimés. Pendant ce temps, le décalage de la fonction de transfert vers des régions approximativement linéaires à l'intérieur de la zone de contraste a produit des images à contraste de phase comparables à celles obtenues en microscopie à contraste interférentiel différentiel. Des échantillons biologiques non colorés, y compris une lignée cellulaire dérivée d'un cancer du col de l'utérus humain, imposant des modulations de phase autrement invisibles ont été visualisés par le filtre. Par conséquent, les filtres coupe-bande offrent une alternative non interférométrique et prête à l'emploi à la visualisation de phase instantanée qui peut jouer un rôle équivalent à d'autres méthodes d'imagerie de phase. Cela a des implications importantes dans l'imagerie biomédicale sans étiquette48, y compris les diagnostics médicaux, la croissance de micro-organismes non invasifs et la surveillance dynamique. Les résultats ouvrent des possibilités de développement en s'étendant au-delà de la bande visible et en construisant des caméras monolithiques sensibles aux fréquences spatiales pour la commercialisation.

Des simulations numériques ont été effectuées en Python 3.9.549 en implémentant Eq. (1) avec la fonction de transfert du filtre coupe-bande. La fonction de transfert de modulation mesurée expérimentalement a été combinée avec la réponse de phase interpolée fournie au fabricant pour modéliser la réponse optique du filtre coupe-bande. Le filtre coupe-bande (Thorlabs NF633-25) utilisé dans cet article avait une épaisseur de 3,5 mm et comprenait des couches minces de pentoxyde de tantale (Ta\(_2\)O\(_5\)) et de dioxyde de silicium (SiO\(_2\)) sur un substrat de quartz fondu.

La lumière blanche d'une lampe halogène couplée à une fibre (Thorlabs SM600) (Ocean Insight HL-2000-FHSA) a été collimatée à l'aide d'un objectif de microscope (Nikon U Plan FL 20x/0,15NA). Cette lumière a été polarisée par un polariseur linéaire (Thorlabs LPVIS050-MP) pour produire une lumière polarisée \(p\) ou \(s\). Une lumière polarisée circulairement a été produite en introduisant une plaque quart d'onde supplémentaire (Thorlabs AQWP05M-600) avant d'éclairer le filtre coupe-bande. Une lentille (Thorlabs LA1068-A, \(f={75}\,\hbox {mm}\)) a focalisé la lumière transmise sur un spectromètre couplé par fibre (Thorlabs M15L01) (Ocean Insight QE6500). Des mesures des spectres de transmission ont été effectuées pour des angles d'incidence allant de \({-30}^\circ\) à \({+30}^\circ\) en faisant tourner le filtre par incréments de \({2}^\circ\).

La lumière laser 635 nm couplée à la fibre (Thorlabs SM600) (Thorlabs S1FC635) a été collimatée par un objectif de microscope (Nikon LU Plan 5x/0.15NA) et deux lentilles (Thorlabs LA1027-A \(f={75}\,\hbox {mm}\) et LA1509-A \(f={100}\,\hbox {mm}\)). Un polariseur linéaire (Thorlabs LPVIS050-MP) garantissait que la lumière polarisée linéairement illuminait un modulateur de lumière spatial réfléchissant (Holoeye Pluto-2.1-VIS-001 LCOS-SLM). Il a programmé des profils de phase de globules rouges humains avec une excursion de phase de \(6\pi /5\). La lumière réfléchie par le SLM passait à travers une plaque quart d'onde (Thorlabs AQWP05M-600) pour la convertir en polarisation circulaire. Une lentille (Thorlabs LA1433-A \(f={150}\,\hbox {mm}\)) et un objectif de microscope (Olympus Plan N 20x/0.4NA) ont réduit l'image sur le filtre coupe-bande dans son plan focal. Ce dernier a été tourné longitudinalement de \({14}^\circ\) à l'aide d'un support de rotation pour accéder à la zone de contraste. Un objectif de microscope (Olympus Plan N 20x/0.4NA) et une lentille (Thorlabs LA1131-A \(f={50}\,\hbox {mm}\)) ont agrandi à nouveau et focalisé l'image filtrée sur un appareil photo (Thorlabs DCC1645C).

La microscopie à fond clair a été réalisée en utilisant la lumière blanche d'un microscope inversé (Nikon Ti-80i) sans le filtre coupe-bande. La source d'éclairage a ensuite été remplacée par une lumière laser 635 nm couplée à la fibre (Thorlabs SM600) (Thorlabs S1FC635) collimatée par un objectif (Olympus A4 4x/0.1NA), et un polariseur linéaire (Thorlabs LPVISC100-MP2) et une plaque quart d'onde (Thorlabs AQWP05M-600) ont produit une lumière polarisée circulairement. Ces composants optiques étaient contenus dans une cage optique montée sur une platine XYZ pour faire varier l'angle d'incidence. Le filtre à encoche a été placé immédiatement sous l'échantillon sur la platine du microscope pour effectuer une microscopie à contraste de phase. Un objectif de microscope (Nikon LU Plan 50x/LWD) a collecté la lumière filtrée sur une caméra (Andor Zyla sCMOS 4.2P). Enfin, une image de contraste interférentiel différentiel a été obtenue à l'aide d'un microscope (Olympus BX60) avec un objectif de microscope (Olympus Plan N 20x/0,4NA).

Les cellules HeLa ont été fournies par le laboratoire Paul Gleeson du Département de biochimie et de pharmacologie et l'Institut Bio21 de l'Université de Melbourne. Les cellules ont été cultivées dans du milieu Eagle modifié de Dulbecco (DMEM) (Lonza) additionné de 10 % de sérum de croissance bovin inactivé à la chaleur (Gibco), 1x Pen-Strep (Lonza) à \({37}^\circ \hbox {C}\) avec 5 % de dioxyde de carbone. Les cellules ont été étalées 24 h avant fixation sur des boîtes à fond de verre de 35 mm, avant d'être fixées avec du paraformaldéhyde à 4 % pendant 15 min à température ambiante et lavées 3 fois avec une solution saline tamponnée au phosphate (PBS).

Les ensembles de données générés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Rienitz, J. Schlieren expérience il y a 300 ans. Nature 254, 293–295. https://doi.org/10.1038/254293a0 (1975).

Annonces d'article Google Scholar

Zernike, F. Contraste de phase, une nouvelle méthode pour l'observation microscopique d'objets transparents. Physique 9, 686–698. https://doi.org/10.1016/S0031-8914(42)80035-X (1942).

Annonces d'article Google Scholar

Molesini, G., Bertani, D. & Cetica, M. Microscopie au sol sombre avec filtres interférentiels désaccordés. Opter. Ing. 21, 1061-1063. https://doi.org/10.1117/12.7973033 (1982).

Annonces d'article Google Scholar

Lang, W. Nomarski Differential Interference-Contrast Microscopy (Carl Zeiss, 1982).

Google Scholar

Balaur, E. et al. Amélioration induite par le plasmon de la microscopie de phase ptychographique via des réseaux de nano-ouvertures sous la surface. Nat. Photonique 15, 222–229. https://doi.org/10.1038/s41566-020-00752-0 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Horstmeyer, R., Chung, J., Ou, X., Zheng, G. & Yang, C. Tomographie de diffraction avec ptychographie de Fourier. Optique 3, 827–835. https://doi.org/10.1364/OPTICA.3.000827 (2016).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Giewekemeyer, K. et al. Imagerie biologique quantitative par microscopie ptychographique à diffraction des rayons X. Proc. Natl. Acad. Sci. 107, 529-534. https://doi.org/10.1073/pnas.0905846107 (2010).

Article ADS PubMed Google Scholar

Engay, E., Huo, D., Malureanu, R., Bunea, A.-I. & Lavrinenko, A. Métasurface entièrement diélectrique dépendante de la polarisation pour l'imagerie de phase quantitative à un seul coup. Nano Lett. 21, 3820–3826. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00190 (2021).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Bostan, E., Froustey, E., Nilchian, M., Sage, D. & Unser, M. Imagerie de phase variationnelle utilisant l'équation de transport d'intensité. IEEE Trans. Processus d'image. 25, 807–817. https://doi.org/10.1109/TIP.2015.2509249 (2016).

Article ADS MathSciNet PubMed MATH Google Scholar

Li, J., Chen, Q., Sun, J., Zhang, J. et Zuo, C. Microscopie computationnelle multimodale basée sur le transport de l'équation d'intensité. J. Biomed. Opter. 21, 126003 (2016).

Article ADS PubMed Google Scholar

Gerchberg, RW & Saxton, WO Un algorithme pratique pour la détermination de la phase à partir d'images de plan d'image et de diffraction. Optik 35, 237-246 (1972).

Google Scholar

Fienup, JR Reconstruction d'un objet à partir du module de sa transformée de Fourier. Opter. Lett. 3, 27–29. https://doi.org/10.1364/OL.3.000027 (1978).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Wesemann, L. et al. Miroir absorbant sélectif presque parfait comme filtre de fréquence spatiale pour le traitement d'image optique. APL Photonics 4, 100801. https://doi.org/10.1063/1.5113650 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Zhu, T. et al. Calcul plasmonique de la différenciation spatiale. Nat. Commun. 8, 15391. https://doi.org/10.1038/ncomms15391 (2017).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wesemann, L., Davis, TJ et Roberts, A. Dispositifs méta-optiques et à couches minces pour le traitement de l'information tout optique. Appl. Phys. Rév. 8, 031309. https://doi.org/10.1063/5.0048758 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Goodman, JW Introduction à l'optique de Fourier (McGraw-Hill, 1996).

Google Scholar

Davis, TJ, Eftekhari, F., Gómez, DE et Roberts, A. Métasurfaces avec fonctions de transfert optique asymétriques pour le traitement du signal optique. Phys. Rév. Lett. 123, 013901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.013901 (2019).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Roberts, A., Gomez, DE et Davis, TJ Traitement d'image optique avec modes sombres de métasurface. J. Opt. Soc. Suis. A 35, 1575-1584. https://doi.org/10.1364/JOSAA.35.001575 (2018).

Annonces d'article Google Scholar

Hui, G. et al. Imagerie de bord fantôme compressée. Menton. Opter. Lett. 17, 071101. https://doi.org/10.3788/col201917.071101 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Brosnan, T. & Sun, D.-W. Amélioration de l'inspection de la qualité des produits alimentaires par vision par ordinateur - une revue. J. Food Eng. 61, 3–16. https://doi.org/10.1016/S0260-8774(03)00183-3 (2004).

Article Google Scholar

Park, K., Chae, M. & Cho, JH Méthode de prétraitement d'image d'apprentissage automatique pour la détection des contours avec amélioration du processeur de signal d'image. Micromachines 12, 73. https://doi.org/10.3390/mi12010073 (2021).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Goodman, JW Optique statistique (John Wiley & Sons, 2000).

Google Scholar

Silva, A. et al. Effectuer des opérations mathématiques avec des métamatériaux. Sciences 343, 160–163. https://doi.org/10.1126/science.1242818 (2014).

Article ADS MathSciNet CAS PubMed MATH Google Scholar

Zhou, Y., Zheng, H., Kravchenko, II & Valentine, J. Optique plate pour la différenciation d'image. Nat. Photonique 14, 316–323. https://doi.org/10.1038/s41566-020-0591-3 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Wesemann, L. et al. Lamelle couvre-objet améliorée par nanophotonique pour l'imagerie de phase en biologie. Lumière Sci. Appl. 10, 98. https://doi.org/10.1038/s41377-021-00540-7 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wan, L. et al. Calcul analogique optique de la différenciation spatiale et de la détection des contours avec des métasurfaces diélectriques. Opter. Lett. 45, 2070-2073. https://doi.org/10.1364/OL.386986 (2020).

Article ADS PubMed Google Scholar

Komar, A. et al. Détection des bords avec des métasurfaces diélectriques mie-résonnantes. ACS Photonics 8, 864–871. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01874 (2021).

Article CAS Google Scholar

Cordaro, A. et al. Métasurfaces diélectriques à haut indice effectuant des opérations mathématiques. Nano Lett. 19, 8418–8423. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02477 (2019).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhu, T. et al. Différenciation spatiale généralisée de l'effet hall de spin de la lumière et son application dans le traitement d'image de la détection des contours. Phys. Rév. Appl. 11, 034043. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.11.034043 (2019).

Article ADS CAS Google Scholar

Wesemann, L., Rickett, J., Davis, TJ et Roberts, A. Imagerie de phase en temps réel avec une métasurface à fonction de transfert asymétrique. ACS Photonics 9, 1803–1807. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00346 (2022).

Article CAS Google Scholar

Pan, D. et al. Métasurfaces de Laplace pour le calcul analogique optique basé sur des états quasi-liés dans le continuum. Photonique Res. 9, 1758–1766. https://doi.org/10.1364/PRJ.426827 (2021).

Article Google Scholar

Cas, traitement de Fourier SK dans le plan objet. Opter. Lett. 4, 286–288. https://doi.org/10.1364/OL.4.000286 (1979).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Indebetouw, G. Filtrage spatial accordable avec un étalon Fabry-Perot. Appl. Opter. 19, 761–764. https://doi.org/10.1364/AO.19.000761 (1980).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Molesini, G. & Quercioli, F. Filtres d'interférence comme processeurs de Fourier. Appl. Opter. 20, 1893–1893. https://doi.org/10.1364/AO.20.001893 (1981).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Cetica, M., Bertani, D. & Molesini, G. Filtres interférentiels pour le filtrage de Fourier et pour le codage de fréquence. J. Solides non cristallins 47, 279–281. https://doi.org/10.1016/0022-3093(82)90076-X (1982).

Annonces d'article Google Scholar

Indebetouw, G. & Poon, T.-C. Filtrage spatial incohérent avec un système hétérodyne à balayage. Appl. Opter. 23, 4571–4574. https://doi.org/10.1364/AO.23.004571 (1984).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Angell, DK Filtrage spatial incohérent avec interféromètres à réseau. Appl. Opter. 24, 2903–2906. https://doi.org/10.1364/AO.24.002903 (1985).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Peri, D. & Ritter, D. Filtrage spatial avec réseaux de volume. Appl. Opter. 24, 1535-1540. https://doi.org/10.1364/AO.24.001535 (1985).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Marquez, A. et al. Imagerie améliorée par les bords avec des réseaux de photopolymères d'alcool polyvinylique/acrylamide. Opter. Lett. 28, 1510-1512. https://doi.org/10.1364/OL.28.001510 (2003).

Article ADS PubMed Google Scholar

Marques, CAF, de Oliveira, V., Kalinowski, HJ & Nogueira, RN Production de filtres coupe-bande optiques avec contrôle fin des paramètres à l'aide de réseaux de Bragg à fibres régénérées. Opter. Lett. 37, 1697-1699. https://doi.org/10.1364/OL.37.001697 (2012).

Article ADS PubMed Google Scholar

Antonacci, G., Elsayad, K. & Polli, D. Filtre coupe-bande sur puce sur un résonateur annulaire en nitrure de silicium pour la spectroscopie brillouin. ACS Photonics 9, 772–777. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c00005 (2022).

Article CAS Google Scholar

Evans, E. & Fung, Y.-C. Mesures améliorées de la géométrie des érythrocytes. Microvasc. Rés. 4, 335–347. https://doi.org/10.1016/0026-2862(72)90069-6 (1972).

Article CAS PubMed Google Scholar

Yuan, Z., Lou, X. & Dong, Y. Filtre coupe-bande photonique à micro-ondes avec une fréquence accordable et une bande passante basée sur l'absorption de gaz. Opter. Lett. 45, 248-251. https://doi.org/10.1364/OL.45.000248 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Bark, HS, Jang, K.-H., Lee, K., Jeong, YU & Jeon, T.-I. Filtre coupe-bande de résonance en mode guidé THz avec une force de filtrage variable. Sci. Rep. 11, 1307. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80134-2 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kwon, M.-S. & Shin, S.-Y. Filtre coupe-bande accordable utilisant un réseau thermooptique à longue période. J.Lumière. Technol. 22, 1968 (2004).

Annonces d'article Google Scholar

Long, Y., Xia, J., Zhang, Y., Dong, J. et Wang, J. Filtre photonique à micro-ondes à encoche réglable à taux de rejet assisté par nanocavité à cristal photonique. Sci. Rep. 7, 40223. https://doi.org/10.1038/srep40223 (2017).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Gertler, S. et al. Filtres coupe-bande micro-ondes photoniques à bande étroite utilisant une transduction de signal à base de brillouin dans du silicium. Nat. Commun. 13, 1947. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29590-0 (2022).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Park, Y., Depeursinge, C. & Popescu, G. Imagerie de phase quantitative en biomédecine. Nat. Photonics 12, 578–589. https://doi.org/10.1038/s41566-018-0253-x (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

Van Rossum, G. & Drake, FL Python 3 Reference Manual (CreateSpace, Scotts Valley, CA, 2009).

Google Scholar

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Les auteurs remercient le laboratoire Paul Gleeson d'avoir fourni les cellules HeLa et Thorlabs d'avoir fourni des données utiles sur les spécifications de l'appareil. SBS remercie également Kenneth B. Crozier pour ses discussions utiles.

Cette recherche a été financée par le gouvernement australien par le biais de la subvention du Centre d'excellence du Conseil australien de la recherche (CE200100010). SBS reconnaît également le soutien de la bourse Ernst & Grace Matthaei et de la bourse du programme de formation à la recherche du gouvernement australien.

Les auteurs suivants ont contribué à parts égales : Shaban B. Sulejman et Niken Priscilla.

Centre d'excellence ARC pour les systèmes méta-optiques transformateurs, École de physique, Université de Melbourne, Melbourne, VIC, 3010, Australie

Shaban B. Sulejman, Niken Priscilla, Luke Wesemann, Wendy SL Lee, Timothy J. Davis et Ann Roberts

Centre d'excellence ARC pour les systèmes méta-optiques transformateurs, Département de génie électrique et électronique, Université de Melbourne, Melbourne, VIC, 3010, Australie

Wendy SL Lee

École de physique, Université de Melbourne, Melbourne, VIC, 3010, Australie

Jieqiong Lou et Elizabeth Hinde

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SBS et AR ont conçu et supervisé le projet sur l'idée d'utiliser des filtres coupe-bande proposés par TJDSBS ont mené les travaux théoriques et numériques, ainsi que des expériences de détection de bord soutenues par ARNP, LW et WSLL ont effectué les mesures spectrales et les expériences d'imagerie de phase avec le soutien de SBSJL et EH ont récupéré et préparé les cellules HeLa. SBS a traité les données et préparé le manuscrit avec le soutien de LW, tandis que tous les auteurs ont fourni des commentaires.

Correspondance à Shaban B. Sulejman.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Sulejman, SB, Priscilla, N., Wesemann, L. et al. Filtres coupe-bande à couches minces comme plates-formes pour le traitement d'images biologiques. Sci Rep 13, 4494 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31528-5

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Reçu : 18 novembre 2022

Accepté : 14 mars 2023

Publié: 18 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-31528-5

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