L'imagerie stéréoscopique, fournie par nos deux yeux, nous donne une vision « en relief » des objets qui nous entourent. En séparant en deux faisceaux une unique impulsion laser harmonique dans le domaine des rayons X, il devient possible d'obtenir de façon similaire des images tridimensionnelles de nanostructures, avec une résolution temporelle donnée par la durée de l'impulsion. Cette nouvelle possibilité ouvre de nouvelles applications en imagerie ultra-rapide à faible dose, plus particulièrement intéressantes dans le domaine de la biologie et la médecine du futur.
La microscopie sans lentille avec rayons X, ou imagerie par diffraction cohérente, est une approche prometteuse permettant aux chercheurs d'analyser la dynamique de structures tridimensionnelles complexes, telles qu'elles existent dans la nature. Si des images bidimensionnelles peuvent être générées rapidement et efficacement, la réalisation d’images 3D constitue toujours un défi. Des images en trois dimensions d'un objet peuvent être calculées à partir de centaines d'images individuelles 2-d, mais ce type de méthode impose des doses de rayonnement élevées et demande la manipulation de grandes quantités de données et donc des temps de calcul élevés.
Il est cependant possible d'accélérer considérablement ces méthodes : il suffit d'acquérir simultanément, à partir d'une unique impulsion laser, deux images d'un même objet selon deux perspectives légèrement différentes. Les 2 images sont ensuite combinées pour former une image spatiale. La méthode s'apparente à notre vision « en relief », à partir d'une image stéréoscopique composée de deux vues légèrement différentes, telles que celles fournies par chacun de nos yeux. L'imagerie par vision stéréoscopique numérique est déjà utilisée en vision artificielle et plus particulièrement en robotique, et l'équipe ATTO du LIDYL au CEA de Saclay et ses collaborateurs montrent ici, et pour la première fois, qu'elle est applicable au domaine des rayons X.
Deux images réelles peuvent être déduites des figures de diffraction obtenues, dont les différences (carte de « disparité ») et gradient d'intensité permettent de reconstruire une vision 3d de l'objet éclairé. La résolution temporelle de la méthode est donnée par la durée de l'impulsion femtoseconde. b) l'échantillon est une croix (6.9 x 6.1 µm²) découpée par faisceau d'ions, dans une membrane de Si3N4 de 75 nm épaisseur, couverte d'une couche mince d'or de 150 nm d'épaisseur, sur une couche interfaciale de 4 nm de Cr pour l'adhésion).
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Pour atteindre ce résultat, plusieurs difficultés ont dû être résolues. La première a été de concevoir un montage optique permettant de séparer de façon optimale l'impulsion harmonique femtoseconde à λ = 24 nm en deux faisceaux cohérents pratiquement identiques. L'obtention des images réelles à partir des figures de diffraction acquises utilise un algorithme standard du laboratoire. La comparaison des 2 images donne une « carte des disparités », dont les ambiguïtés peuvent être levées dans le cas d’un objet semi-transparent par une carte de gradient d'intensité. Cette carte corrigée quantifie en chaque pixel la profondeur de l'objet, ce qui permet d'atteindre la reconstruction de l'objet en 3 dimensions.
Dans ce domaine des très courtes longueurs d'onde, la méthode permet des reconstructions 3D à l'échelle nanométrique, à très faible dose de rayons X. Cette approche doit pouvoir, avec un impact significatif, satisfaire les demandes d'imagerie structurale 3D de nano-objets, tels que des macromolécules individuelles, indispensable en biologie ou en médecine, et plus généralement dans l'industrie. Ainsi, la structure protéique (capside) d'un virus, qui influence fortement son activité biologique, pourrait, par exemple, être analysée plus rapidement et avec un effort instrumental raisonnable, permettant d'accélérer et affiner les diagnostics médicaux.
Cette étude a été financée par le projet FET Open VOXEL et soutenue par le consortium Laserlab Europe.
Référence :
Computed stereo lensless X-ray imaging
J. Duarte, R. Cassin, J. Huijts, B. Iwan, M. Kholodtsova, F. Fortuna, L. Delbecq, H. Chapman, M. Fajardo, M. Kovacev, W. Boutu and H. Merdji
Nature Photonics 13, April 2019.
Contact CEA : Hamed Merdji (LIDYL/Atto)
Collaboration :
- J. Duarte, R. Cassin, J. Huijts, B. Iwan, W. Boutu & H. Merdji : Laboratoire Interactions, Dynamiques et Lasers (UMR 9222 CEA-CNRS) – LIDYL/Atto
- F. Fortuna, L. Delbecq, Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière – CSNSM, CNRS/IN2P3, Université Paris-Saclay, Orsay, France
- H. Chapman, Center for Free-Electron Laser Science, DESY, Hamburg, Germany
- M. Fajardo, Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear – IPFN, IST Lisboa, Lisbon, Portugal
- M. Kovacev : Leibniz Universität Hannover, Institut für Quantenoptik, Hannover, Germany.