Brevet FR2610735A1 — publié le 19880812

Compensateur de dynamique optique autoadaptatif et son utilisation dans une chaîne optique d'imagerie radiologique La présente invention concerne un compensateur de dynamique optique autoadaptatif et son utilisation dans une chaîne optique dtimagerie radiologique. Dans les chaînes d'imagerie radiologiques utilisant des amplificateurs de luminance, la visualisation des détails de faibles niveaux lumineux est rendue difficile lorsque les objets à examiner présentent de très grands contrastes, ceci étant dû notamment au bruit électronique de la caméra d'acquisition de l'image. Or, les dispositifs actuellement employés dans la chaîne d'acquisition pour réduire le contraste interne des images sont lourds à mettre en oeuvre, car ils nécessitent une action sur l'objet ou sur le faisceau de rayons X. Le problème à résoudre est comparable à celui rencontré dans l'enregistrement sur bande magnétique de signaux analogiques audiofréquence où la limite de dynamique provient principalement de la bande magnétique et pour lequel plusieurs procédés de compression à l'enregistrement et d'expansion à la lecture sont connus. Une distinction est souvent faite dans ces procédés selon que ceux-ci portent sur l'ensemble du spectre audiofréquence ou sur des parties seulement du spectre, ces derniers étant traitées séparément pour être ensuite recombinés.Dans le premier cas, par exemple, le procédé connu sous la désignation DBX effectue une compression de la forme et une expansion de la forme Ue = Uc2, et dans le deuxième cas, par exemple, un autre procédé connu sous la désignation DOLBY effectue une compression en Uc = U# et une expansion en Ue = Uc1/&alpha;. Dans le cas dtune chaîne d'image, il suffit de définir le compresseur de dynamique optique à placer devant le capteur d'images, puisque l'expansion peut être effectuée dans la chaîne de restitution par un circuit électronique de linéarisation, a condition que soit connue la loi de compression. En travaillant par analogie avec les procédés audiofréquences rappelés précédemment, la compression optique peut porter soit sur l'ensemble du spectre des fréquences spatiales de l'image (type DBX), ou seulement sur les fréquences basses, ce qui revient à augmenter relativement le niveau de haute fréquence (type DOLBY). Dans ce dernier cas, le compresseur de dynamique assure la fonction connue de masque flou autoadaptatif; à la limite, il se comporte comme un différentiateur d'image, fonctionnant en parallèle et en temps réel. Lorsqu'il s'agit d'images animées, ou d'images apparaissant lors d'impulsions d'illumination, l'un des problèmes à résoudre est celui de la réponse temporelle du compresseur ; en effet, comme dans le domaine audio, les artefacts ou les distorsions sur l'image linéarisée peuvent être engendrés dans le produit de convolution de la fonction de transfert spatiotemporel du compresseur par le contenu spatiotemporel de l'image, en particulier lorsque la réponse présente des oscillations amorties, plus connues dans la littérature anglo-saxonne sous la désignation "Overshoot". Egalement, le temps de réponse doit être négligeable devant le temps d'existence de la zone à corriger, sous peine d'une correction insuffisante, et le temps de remise à zéro doit l'être aussi, sous peine d'une altération de l'image suivante. On peut noter cependant, que si le temps de retour à l'état initial est particulièrement long, c'est-à-dire que l'image de compensation a été mémorisée, il devient possible de procéder à la compensation d'images successives ayant une partie de leur contenu en commun, c'est-à-dire de faire ressortir les différences entre images. A la limite un tel compensateur, portant sur la totalité du spectre des fréquences spatiales, et doué de mémoire, doit pouvoir être utilisé pour la soustraction d'images, en parallèle et en temps réel. Le but de l'invention est de proposer des solutions au problème posé. A cet effet, l'invention a pour objet, un compensateur de dynamique optique autoadaptatif d'une image transmise par un faisceau de radiation, caractérisé en ce qu'il comprend un corps transmetteur de lumière constitué en un matériau électrooptique photoconducteur pris en sandwich entre deux électrodes transparentes de polarisation. L'invention a également pour objet une utilisation du compensateur dans une chaîne optique d'image radiologique. Le compensateur optique selon l'invention a pour avantage qu'il permet aussi bien des compressions de dynamique que des expansions c'est-à-dire aussi bien des atténuations que des réhaussements des contrastes, ' de façon entièrement autoadaptative, c'est-à-dire sans action d'autres moyens de commande extérieurs que celui provoqué par l'impact des photons sur le matériau électrooptique photoconducteur. On obtient ainsi des temps de réponse extrêmement courts inférieurs à 40 millisecondes ce qui est très suffisant pour apporter des corrections efficaces sur l'image. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront ci-après à l'aide de là description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent: la figure 1 une courbe pour illustrer le principe de compensation mise en oeuvre par l'invention la figure 2 un schéma pour illustrer le principe d'un compensateur optique selon rinvention la figure 3, un graphe schématisant les différentes étapes du processus de compensation selon l'invention la figure 4, une courbe d'une transmission d'un compensateur optique selon l'invention la figure 5, un premier exemple de réalisation d'un compensateur optique selon l'invention la figure 6 un montage polarimétrique réalisé avec un compensateur optique du type de la figure 5 les figures 7, 8A et 8B des deuxième, troisième et quatrième structures différentes de compensateurs optiques selon l'invention la figure 9, une courbe de transmission d'un cristal liquide utilisé comme matériau éleotrooptique la figure 10, une courbe de transmission du dispositif de la figure 8 en fonction de la tension les figures 11 et 12 deux schémas de réalisation de chaînes optiques d'imagerie radiologique comportant chacune un compensateur optique selon l'invention Le principe selon l'invention consiste à créer, en chaque point d'une image radiologique à compenser, une densité optique variable fonction de l'éclairement de chacun des points.Comme les traitements numériques d'images en radiologie sont effectués en unités logarithmiques, la courbe de transfert représentant l'intensité transmise It en fonction de l'intensité incidente I. &gamma; est exprimée suivant une loi de la forme It = Ii, où &gamma; est i, compris entre 0,5 et 0,8 par exemple. Une représentation correspondante en coordonnées logarithmiques est donnée à la figure 1 qui montre deux courbes A et B obtenues pour deux coefficients g Sur la figure 2, par exemple, les faces extérieures non communes aux deux plaques 1 et 2 sont recouvertes par des électrodes transparentes 5 et 6 entre lesquelles est appliqué un champ électrique E produit par un générateur de tension 7. Dans ces conditions le champ électrique T est parallèle à l'axe optique XX' du dispositif et chaque photon, d'énergie ho passant à travers de l'électrode 5 parallèlement l'axe optique XX', donne naissance à des charges électriques se déplaçant sur l'action du champ E dans la direction optique XX'. Dans l'expression précédente h est la constante de Planck et 8 la fréquence de rayonnement. La distribution spatiale de l'intensité lumineuse de l'image à compenser entraîne une répartition non uniforme des potentiels électriques sur le matériau électrooptique 2 qui voit ses propriétés de transmission variées localement.La loi de transmission dépend naturellement des caractéristiques du matériau photoconducteur et de la réponse en transmission du matériau électrooptique 2 en fonction de la tension électrique appliquée sur les électrodes 5 et 6. Des courbes correspondantes sont représentées aux figures 3 et 4. Suivant le diagramme à 4 quadrants de la figure 3, le premier quadrant représente les caractéristiques de photoconductivité 6 = f(i) du matériau choisi supposé linéaire sur le schéma. Le second quadrant donne le report de la tension Vco pour le matériau électrooptique en fonction de la résistivité & du matériau photoconducteur, ou plus généralement de ses caractéristiques électriques. Le troisième quadrant donne la variation de la transmission T co du montage polarimétrique en fonction de la tension électrique VCO développée entre les faces parallèles du matériau électrooptique 2. Enfin, la loi de transmission ot = Tco x ça est représentée à la figure 4. Une première variante de réalisation d'un compensateur selon l'invention est représentée à la figure 5. Dans cet exemple, le compensateur est réalisé avec une structure PROM qui est l'abréviation du terme anglo-saxon (Pockels Read out Optical Memory), cette structure est composée par une plaquette 8 de matériaux monocristallins, du type de ceux appartenant à la famille Bil2 X 020 où X = Si, Ge ou Ti ou encore un cristal = '1 liquide convenablement orientée et placée entre deux électrodes bloquantes 9 et 10 constituées par de l'oxyde d'étain et d'indium (ITO) séparées de la plaquette monocristalline 8 par deux couches minces isolantes 11 et 12 respectivement.Pour fonctionner correctement, l'ensemble est placé comme représenté à la figure 6 entre un polariseur 13 et un analyseur 14 croisés et polarisés par une tension continue VO inférieure ou égale à une tension demi-onde du monocristal égale par exemple, si le matériau est du Bil2 Si 020, à VflT = 3,9 Kvolts. Ce dispositif utilise à la fois les propriétés photoconductrices et électrooptiques du monocristal. Le processus de compensation se déroule en deux étapes. Sous l'effet de l'éclairement la tension aux bornes du monocristal décroît car celui-ci est photoconducteur. Comme on peut considérer que la loi de variation de la conductivité en fonction de l'intensité lumineuse I est de la forme 6 = o+ BI (1), on obtient pour des temps d'exposition très supérieurs au temps de vie des photoporteurs générés dans le monocristal, une loi de décroissance temporelle de la tension aux bornes du monocristal qui vérifie une relation de la forme dans laquelle # o et # r représentent les permittivités diélectiques dans le vide et dans le monocristal et, simultanément une loi de variation de la transmission du montage électrooptique qui s'exprime alors suivant une relation de la forme La relation (3) est vraie pour un cristal orienté (100) pour une lumière incidente polarisée à 450 des axes principaux et pour des polariseurs et analyseurs 13 et 14 croisés. Ainsi pour un instant to compris entre 0 et to (temps d'exposition) la transmission du dispositif s'obtient en combinant les relations (2) et (3), ce qui donne la relation La loi de compensation obtenue définie par la relation (4) est strictement décroissante avec I. Elle a cependant l'inconvénient de rendre le phénomène de compensation transitoire, puisque celui-ci dépend du temps d'exposition t et de nécessiter une acquisition d'image très rapide. Un autre mode de réalisation de 11 invention est représenté à la figure 7. Il associe un cristal photoconducteur 15 à un cristal éléctrooptique 16 de niobate de lithium polarisés entre deux électrodes 17 et 18. Dans ce cas les deux fonctions de photoconduction et d effet électrooptique du niobate de lithium sont séparées. Pour posséder un effet électrooptique à tension demi-onde la plus faible possible (2,5 à 3 KVolts)la grande face du cristal de niobate de lithium est orientée à 550 de l'axe Z dans le quadrant -Y + Z, mais le phénomène de biréfringence naturelle qui est obtenu doit être compensé. Dans une autre variante, on pourra substituer au niobate de lithium un cristal de KDP. Enfin, suivant un troisième mode de réalisation possible de l'invention le principe de la compensation peut être également mis en oeuvre en utilisant comme dispositif électrooptique une valve à cristaux liquides. Un dispositif correspondant mettant en oeuvre un photoconducteur monocristallin est représenté à la figure 8A. Il est constitué par un cristal liquide 19 enfermé dans une enceinte étanche par deux couches d'accrochage parallèles 20 et 21 espacées entre elles par deux cales d'épaisseur 22 et 23. La couche 20 est recouverte sur sa partie extérieure à l'enceinte par une couche photoconductrice 24 en matériau monocristalin photoconducteur et la plaque 21 est recouverte sur sa face extérieure à l'enceinte par une électrode transparente 25.Une électrode 26 est également déposée sur la surface extérieure de la couche photoconductrice 24 parallèle à la surface de la couche 24 en contact avec la couche d'accrochage 20. Egalement une plaque de verre 27 recouvre l'électrode 25. L'ensemble est maintenu à l'intérieur d'une couronne ou d'un cadre 28. Les électrodes 25 et 26 sont polarisées par une tension alternative pour éviter la dégradation du cristal liquide 17 par électrolyse. Selon une autre variante de réalisation qui est représentée à la figure 8B, où les mêmes éléments que ceux de la figure 8A sont représentés avec les mêmes références, l'élément photoconducteur 24 est réalisé en couche mince et l'électrode 20 qui le recouvre est elle-même recouverte par un substrat de verre 29.Dans les deux représentations des figures 8A et 8B le cristal liquide 19, dont l'épaisseur n'excède pas une dizaine de microns constitue l'élément électrooFtique. Il est constitué éventuellement par un cristal liquide fonctionnant, soit en mode nématique en hélice ou twisté, soit en biréfringence électriquement contrôlé, soit par un cristal liquide dicroique . Dans le mode de fonctionnement en nématique en hélice ou twisté les deux directions d'alignement des molécules sur les substrats en regard sont perpendiculaires. La structure moléculaire est un quart d'hélice avec un pas P = 4. e où e est l'épaisseur du cristal liquide. Cette structure hélicoïdale fait tourner de 900 la direction de polarisation d'une lumière incidente polarisée rectilignement parallèlement aux deux directions d'alignement des molécules à conditions cependant que la relation On.P ,A > > 1 (5) soit satisfaite. Dans la relation (5) A n désigne la biréfringence du cristal liquide et Â la longueur d'onde de la lumière. Sous tension, le cristal liquide utilisé a . une anisotropie diélectrique positive et les molécules s'orientent parallèlement au champ électrique ce qui détruit la structure hélicoidale. L'axe optique du cristal liquide s'oriente alors parallèlement au champ électrique et la polarisation de la lumière n'est pas modifiée par la traversée du cristal liquide polarisée par un champ électrique.Dans ce cas, en plaçant la valve entre polariseur et analyseur parallèles respectivement aux deux directions d'alignement des molécules, la lumière est transmise lorsque la tension sur le cristal liquide est inférieure à une tension de seuil VS en dessous de laquelle aucun effet de variation de la transmission est observable, c'est-à-dire quand l'intensité lumineuse est faible. Elle absorbe par contre la lumière lorsque la tension devient supérieure au seuil de tension VS. On obtient alors dans ces conditions des courbes de transmission du cristal liquide qui ont les formes représentée à la figure 9. Dans la pratique, il faudra tenir compte dans certain cas de l'important pouvoir rotatoire du photoconducteur 24 pour l'orientation du polariseur ceci notamment lorsque le photoconducteur aura la structure d'un cristal de type BSO.Comme le, pouvoir rotatoire dépend fortement de la longueur d'onde et que le spectre lumineux a un spectre large, le taux d'extinction du système sera fortement affecté, mais ceci pourra èfficaùement être compensé par le choix des polariseurs. En particulier pour le réglage du dispositif on pourra rechercher, à polarisation nulle, ltextinction à l'aide du polariseur et de l'analyseur, puis la transmission maximale en tournant l'analyseur à 900. Dans le mode de fonctionnement à biréfringence électriqùement contrôlé, la cellule à cristal liquide est optiquement équivalente à une lame eristaline à face parallèle, dont une ligne neutre est la projection sur la face d'entrée de la cellule de la direction d'alignement des molécules. Dans ce cas polariseur et analyseur sont croisés et orientés à 450 des lignes neutres du cristal liquide et l'intensité lumineuse transmise It suit une loi de la forme où Ii est l'intensité lumineuse incidente ; 6 (V) le retard optique induit par l'épaisseur du cristal liquide, ce retard étant fonction de la tension appliquée aux bornes du cristal. Comme dans le cas du mode de fonctionnement avec un cristal liquide nématique en hélice, la transmission dépend de l'angle selon lequel arrive le flux incident. Pour obtenir un effet le plus homogène possible sur la surface éclairée, il est nécessaire d'utiliser des optiques de projection de grande ouverture numérique. La courbe de transmission de la valve en fonction de la tension aux bornes du cristal liquide suit dans ce cas les courbes typiques des lames cristallines possédant l'effet électrooptique du type de celles qui sont représentées à la figure 10. Ces courbes possèdent un certain nombre de maximum et de minimum correspondant aux valeurs du retard optique multiple de /2. On peut constater que les pentes des deux parties décroissantes des courbes ne sont pas les mêmes. De ce fait, il est possible de choisir le point de fonctionnement par la tension appliquée pour modifier la compensation. Le réglage optique est obtenu en recherchant l'extinction de la transmission à tension nulle. Dans ce cas, polariseur et analyseur sont croisés et parallèles à une ligne neutre du système électrooptique. Pour obtenir le dispositif dans sa configuration d'utilisation il suffit de tourner polariseur et analyseur de 450 dans-le même sens. Dans le cas où le cristal liquide utilisé est un cristal liquide dieroïque on obtient un fonctionnement en absorption de lumière et non en effet électrooptique de sorte que la présence d'éléments polarisants (polariseur et analyseur n'est plus nécessaire. En effet, si la tension sur le cristal liquide est nulle, la tranmission est maximale, c'est-à-dire que l'orientation des molécules est telle que l'absorption est minimale et lorsque la tension sur le cristal liquide augmente, les molécules du cristal liquide s'orientent. de manière que l'obsorption de la lumière augmente. Une utilisation des compensateurs optique selon l'invention précédemment décrits dans une chaîne d'imagerie radiologique est représentée à la figure 11. Dans cette utilisation un compensateur 30 selon l'invention est placé entre la fenêtre de sortie 31 d'une intensificateur d'image radiologique 32 et un tube de prise de vue vidéo 33. Des optiques 34, 35 d'une part, et 36 d'autre part, assurent la collimation des images d'une part, sur le compensateur 30 et d'autre part, sur l'écran du tube de prise de vue 33. L'ensemble des optiques et le compensateur sont fixés rigidement à l'intérieur d'une enveloppe 37. Cependant au lieu de faire travailler le compensateur 30 en transmission comme c'est le cas du mode d'utilisation représenté à la figure 11 on pourra envisager de le faire travailler en mode réflexion comme cela est représenté à la figure 12 où les éléments homologues à ceux de la figure 11 sont représentés avec les memes réféences. Dans cet exemple, le compensateur 30 n'est plus placé entre les optiques 35 et 36 mais entre l'optique 35 et du miroir 37, et une lame semi-transparente 38 est placée dans le chemin optique des rayons lumineux transmis par l'optique 34 pour assurer la collimation des images sur le miroir 37. La lame semi-transpatrente 38 est également placée entre les optiques 35 et 36 pour retransmettre par transparence les images réfléchies par le miroir 37 en direction de optique 36 et de la caméra 33. REVENDICATION S 1. Compensateur de dynamique optique autoadaptatif d'une image transmise par un faisceau de radiation, caractérisé en ce qu'il comprend un corps transmetteur de lumière (1, 2 8 ; 15, 16 ; 19, 24) constitué en un matériau électrooptique photoconducteur pris en sandwich entre deux électrodes (5, 6 9, 10 ; 25, 26) transparentes de polarisation et placée entre un polarisateur. 2. Compensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau électrooptique photoconducteur est un matériau monocristallin appartenant à la famille Bi12 . X. 020 Où X = Si, G ou T e i 3. Compensateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps transmetteur de lumière est constitué par une plaque (1 ; 15 ; 24), d'un matériau photoconducteur monocristallin reposant sur une deuxième plaque (2) formée dans un matériau électrooptique (2 ; 16 ; 19) 4. Compensateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau photoconducteur(1; 15 ; 24) appartient à la famille Bi12.X.020 où X est du silicium, du germanium ou du titane. 5. Compensateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau photoconducteur (1 ; 15 ; 24) est formé par une couche mince constituée par des corps pris dans les colonnes II et VI de la classification périodique des éléments. 6. 'Compensateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le matériau électrooptique (2 ; 16 ; 19) est un cristal de KDP ou de Niobate de lithium. 7. Compensateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le matériau électrooptique (19) est un cristal liquide nématique en hélice. 8. Compensateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le matériau électrooptique (19) est un cristal liquide à biréfringence électriquement contrôlée. 9. Compensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le corps transmetteur de lumière (1, 2 ; 8 ; 15, 16 ; 19, 24) est placé entre un polariseur (3) et un analyseur (4) optiques croisés. 10. Compensateur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le matériau élecrooptique (19) est un cristal liquide dichroïque. 11. Utilisation du compensateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans une chaîne d'imagerie radiologique (30, 36, 32).