Correction d'aberrations par optique guidée pour l'imagerie rétinienne haute résolution // Guided wave aberration correction for high resolution retinal imaging

Le vieillissement global de la population entraîne une augmentation marquée des cas de déficience visuelle, avec un nombre estimé de patients passant de 258 millions en 2020 à 474 millions en 2050. Parmi les principales causes, la dégénérescence maculaire liée à l'âge touche 5,6 % des personnes de plus de 50 ans. L'imagerie optique in vivo à résolution cellulaire s'est révélée essentielle pour analyser les altérations pathologiques précoces de la rétine avant même l'apparition de symptômes visuels. Cependant, atteindre unetelle résolution nécessite de corriger les aberrations optiques de l'œil, un défi auquel l'optique adaptative (OA) apporte une solution.Initialement développée pour l'astronomie, l'OA a été adaptée à l'imagerie rétinienne, permettant d'atteindre la limite de diffraction.
Malgré son efficacité, l'OA n'est pas encore intégrée dans les outils cliniques courants tels que l'OCT (tomographie par cohérence optique) ou l'imagerie du fond d'œil, principalement en raison de son coût élevé, de son encombrement et de sa complexité. Ces systèmes présentent également des limitations liées aux aberrations induites par la courbure de l'œil, réduisant la taille du champ corrigé sur les images. Ces limitations appellent au développement de solutions innovantes pour simplifier et miniaturiser les systèmes d'imagerie rétinienne. Une voie prometteuse repose sur l'optique guidée, qui peut être intégrée sur des circuits photoniques. Cette technologie, déjà largement exploitée dans les télécommunications et l'astronomie, permet de combiner plusieurs fonctions optiques sur une puce. Elle constitue en ce sens une alternative compacte et robuste, à coût réduit grâce à une production standardisée.
Contrairement à l'OA conventionnelle, qui emploie des capteurs et miroirs mécaniques, l'optique guidée repose sur la recombinaison cohérente de faisceaux lumineux dans des guides d'ondes. Cette méthode décompose le champ lumineux perturbé en plusieurs modes spatiaux, injectés dans des guides d'ondes via un démultiplexeur. Ces modes sont ensuite recombinés pour maximiser le flux lumineux dans une sortie unique, grâce à un ajustement dynamique des phases. Cette approche, déjà validée dans les applications de télécoms,semble attractive pour l'imagerie rétinienne haute résolution. Un avantage clé de cette technologie, non offert par les dispositifs d'OA conventionnels en imagerie rétinienne, est sa capacité à adapter le focus à la forme de l'objet volumique imagé, garantissant la même qualité d'imagerie sur l'ensemble du champ visuel.
Ce projet de thèse vise donc à développer un système d'imagerie rétinienne haute résolution intégrant un module de correction basé sur l'optique guidée.
Ce projet débutera avec la modélisation et l'adaptation de la décomposition en modes spatiaux pour répondre aux exigences spécifiques de l'ophtalmologie. Les paramètres de correction, tels que l'amplitude de déphasage et la cadence, seront optimisés, tandis que les composants clés du système, comme le démultiplexeur et les déphaseurs, seront définis et sélectionnés.
Ensuite, ces composants constituant le module de correction seront assemblés et mis en œuvre. Une fois validé, le module sera intégré dans un système d'imagerie conventionnel, tel qu'un OCT.
Durant le projet, le/la candidat(e) bénéficiera de l'accès à la plateforme ECUROeil de l'hôpital des Quinze-Vingts, ce qui lui permettra de se familiariser avec les techniques avancées d'imagerie rétinienne de et collecter des données supplémentaires permettant d'affiner le modèle du prototype de correction. Le ou la candidat(e) aura l'opportunité de collaborer étroitement avec les étudiants(es) en thèse du laboratoire, dont les travaux portent également sur la mise en œuvre de techniques de correction de phase par optique guidée.
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The global aging of the population is driving a significant increase in cases of visual impairment, with the estimated number of affected individuals rising from 258 million in 2020 to 474 million by 2050. Among the main causes, age-related macular degeneration affects 5.6% of individuals over the age of 50. Cellular-resolution in vivo optical imaging has proven essential for analyzing early pathological changes in the retina, even before visual symptoms appear. However, achieving this level of resolution requires correcting optical aberrations of the eye—a challenge addressed by adaptive optics (AO). Initially developed for astronomy, AO has been adapted to retinal imaging, enabling diffraction-limited resolution.
Despite its effectiveness, AO has yet to be incorporated into common clinical tools like optical coherence tomography (OCT) or fundus imaging, primarily due to its high cost, bulk, and complexity. Additionally, these systems face challenges related to aberrations caused by the curvature of the eye, which limit the size of the corrected imaging field. These constraints call for innovative solutions to simplify and miniaturize retinal imaging systems. One promising approach involves guided optics that can be integrated in photonic circuits. Already widely used in telecommunications and astronomy, this technology enables multiple optical functions to be combined on a compact chip. It offers a robust, cost-effective alternative thanks to standardized manufacturing processes.
Unlike conventional AO, which relies on sensors and mechanical mirrors, guided optics leverages the coherent combining of light beams within waveguides. This method decomposes the distorted light field into several spatial modes, which are injected into waveguides via a demultiplexer. These modes are then recombined to maximize the light flux in a single output, using dynamic phase adjustments. Already demonstrated in telecommunications applications, this approach holds great promise for high-resolution retinal imaging. A key advantage of this technology, which is not addressed by conventional AO systems for retinal imaging, is its ability to adapt focus to the shape of volumetric objects being imaged, ensuring consistent image quality across the entire field of view.
This PhD project aims to develop a high-resolution retinal imaging system that integrates a correction module based on guided optics.
The project will begin with modeling and adapting spatial mode decomposition to meet the specific requirements of ophthalmology. Correction parameters, such as phase shift amplitude and modulation speed, will be optimized, while key system components like demultiplexers and phase shifters will be identified and selected.
Next, these components will be assembled to form the correction module, which will then be implemented. After validation, the module will be integrated into a conventional imaging system, such as an OCT setup.
Throughout the project, the candidate will have access to the ECUROeil platform at the Quinze-Vingts Hospital, providing hands-on experience with advanced retinal imaging techniques and enabling the acquisition of additional data to refine the correction prototype. The candidate will also have the opportunity to collaborate closely with other PhD students in the laboratory working on phase correction techniques using guided optics.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Le/la candidat(e) doit être titulaire d'un diplôme d'une école d'ingénieur généraliste ou spécialisée en optique et sciences physiques (par exemple Institut d'Optique, Télécom Physique Strasbourg) ou d'un master en optique, photonique ou disciplines connexes. Une solide formation en optique physique, optique guidée et/ou en instrumentation optique est un atout essentiel pour ce projet de thèse.
The candidate must hold a degree from a generalist or specialized engineering school in Optics or Physics (e.g., Institut d'Optique, Télécom Physique Strasbourg) or a master's degree in Optics, Photonics, or related fields. A strong background in guided optics, and/or optical instrumentation is a key asset for this Ph.D. project.