Brevet FR2634923A1 — publié le 19900202

La présente invention concerne la tomographie infor- matisée -industrieile (TII) et plus particulièrement la construction d'images d'objets en tomographie informatisée (TI) en section transversale, à deux dimensions, à l'aide d'une information a priori relative aux objets. L'inspection TII de produits industriels est un outil puissant dans l'assurance de qualité pour déterminer si les caractéristiques internes des produits manufacturés sont conformes aux spécifications d'étude et pour détecter les défauts internes. Par exemple, dans la fabrication des moteurs à turbine à gaz, il y a certaines parties déter- minantes, telles que les aubes de turbine qui sont coulées de façon compliquée avec des canaux intérieurs, dont les caractéristiques internes sont de première importance pour obtenir des performances sûres, à long terme, du moteur. Les parois des canaux doivent correspondre à l'épaisseur nominale et l'existence de défauts internes, tels que fendillements, vides, porosité, coupures, obstructions, etc., doit corres- pondre aux tolérances d'étude si l'on veut que la pièce supporte les rigueurs de l'environnement de fonctionnement du moteur. Pour exécuter une inspection TII, on place la pièce entre une source de rayons-X et un détecteur constitué généralement d'un réseau d'éléments de détection qui sont en alignement avec un faisceau en forme d'éventail, hautement - 2 collimaté, de rayons-X projetés par la source au droit d'une tranche transversale de la pièce. Là pièce est soumise par étapes à une rotation d'un angle d'au moins 180 , plus l'angle inclus du faisceau en éventail, si possible, et la - 5 tranche de la pièce est irradiée à partir d'une multitude d'angles de projection différents. L'atténuation du flux de rayons-X est détectée par chaque détecteur à chaque angle de projection, et un ordinateur reconstruit une image de la section en coupe de la tranche à partir des signaux d'atténuation des rayons-X développés par les éléments du détecteur à chaque angle de projection. Pour certaines géométries des pièces, la longueur du trajet des rayons-X dans certaines tranches peut être si élevée à certains angles de projection que la pénétration des rayons-X est insuffi- sante pour produire des données d'atténuation significatives. Dans d'autres cas, certains angles de projection peuvent être obstrués par la présence d'objets associés. Il est évident que l'inaptitude-à obtenir des données d'atténuation signifi- catives des rayon.s-X dans la gamme complète de balayage a pour effet de dégrader la qualité de l'image reconstruite de la section transversale des tranches. L'image est abîmêe par les artéfacts, et les caractéristiques internes de la pièce deviennent mal définies et manquent de netteté au point que les défauts internes peuvent s'avérer difficiles à détecter. Pour améliorer la qualité des images TI, on a proposé de recourir à une information a priori, ou information connue sur l'objet en inspection. Dans la demande de brevet des Etats-Unis n 032804 déposée le 1er avril 1987 sous le titre "Method to Obtain Object Boundary Information in Limited- Angle Computerized Tomography" (Procédé pour obtenir une information sur les limites d'un objet dans une tomographie informatisée à angle limité), qui est incorporée ici à titre de référence, on estime la limite extérieure de l'objet en essai. Cela est effectué en exposant l'objet en essai à des rayons-X de faible énergie à chaque projection TI ou angle de - 3 - balayage de manière à déterminer les bords de l'objet dans chaque cas. Les données de cette radiographie à faible énergie, produites par les éléments de détection sont traitées en ordinateur sous forme d'une suite de lissages de courbes aux bords de l'objet pour construire une zone en forme de polygone se rapprochant de l'enveloppe convexe de l'objet. Si l'objet a fondamentalement une forme convexe, telle que celle d'un cylindre, l'enveloppe convexe correspond assez étroitement à la limite de l'objet. Cette information sur l'enveloppe convexe est alors utilisée pour corriger le processus de reconstruction des images TI en mettant à zéro les pixels dont on sait qu'ils sont au-delà de la limite de l'objet, d'o l'obtention d'une image de haute qualité de la section transversale de la tranche. Malheureusement, tous les objets en essai n'ont pas une forme convexe. La plupart présente des limites très concaves. En conséquence, l'enveloppe convexe devient alors simplement une approximation de la limite de l'objet, qui diminue en valeur avec l'augmentation du degré et du nombre des limites concaves. Par conséquent, la présente invention a pour objet un procédé pour améliorer la qualité de la reconstruction des images TI. L'invention a pour autre objet un procédé ayant le caractère précédent, o une information a priori plus précise sur l'objet en essai est utilisée dans la reconstruction des images TI. Un objet supplémentaire de l'invention est de proposer un. procédé ayant le caractère précédent, dans lequel les mesures physiques de la limite de l'objet en essai sont utilisées à titre d'information a priori dans la reconstruc- tion des images TI. Selon la présente invention, on prévoit un procédé perfectionné pour la reconstruction d'images de tomographie informatisée (TI) utilisant une information a priori - 4 - prédéterminée, ou information connue, sur la géométrie des limites de l'objet en essai. A cet effet, avant d'exécuter un balayage TI à une multiplicité d'angles de projection des rayons-X, la limite extérieure de l'objet, telle qu'elle est fixée dans sa position d'essai, est sondée physiquement à une multitude de points de la surface ou des limites selon un plan de mappage prédéterminé de manière à mesurer le contour de l'objet et donc localiser les points sondés de la limite dans un système de coordonnées X-Y. Les résultats des mesures des points sondés des limites sont traités en ordinateur pour produire des données sur les limites qui définissent l'enve- loppe de la section transversale de l'objet en essai. L'objet en essai est alors soumis à un balayage TI normal à une multiplicité d'angles de projection des rayons-X, et une image de la section transversale projetée des tranches est reconstruite de la manière classique, par exemple par rétroprojection filtrée. L'image radiographique reconstruite est alors traitée d'une façon itérative impliquant des transformations répétées entre espace-objet et espace de projection et la correction de l'image reconstruite dans l'espace-objet par remise à zéro des pixels dont on sait d'après les données générées sur les limites qu'ils se trouvent au- delà de l'enveloppe de la section transversale de l'objet. L'affichage de l'image TI reconstruite, corrigée, présente une qualité supérieure, ce qui facilite l'inspection et la mesure des caractéristiques internes de l'objet en essai ainsi que la détection et la mesure des défauts internes. Pour accélérer l'étape de sondage des limites de l'objet en essai, la présente invention comprend en outre les étapes consistant à construire l'enveloppe convexe de l'objet en essai, à sonder plusieurs points de référence de la limite sur les formations de la surface convexe de l'objet en essai qui sont définies avec précision par l'enveloppe convexe, et à ajuster l'enveloppe convexe construite sur ces points sondés de la limite de la surface convexe. La donnée définissant l'enveloppe pour l'objet en essai est alors engendrée en utilisant la donnée sur l'enveloppe convexe construite pour les formations de la surface convexe et la donnée sur les points sondés de la limite pour les formations de la surface concave. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en perspective, simplifiée, d'un poste d'inspection par tomographie informatisée industrielle (TI) qu'on utilise dans le procédé de la présente invention; figure 2, un schéma fonctionnel sous forme de blocs des diverses étapes du traitement de la donnée obtenue à partir du poste d'inspection de la figure 1; figure 3, l'image TI d'une tranche d'une section en coupe de l'objet en essai reconstruite seulement à partir des données d'atténuation des rayons-X; figure 4, la reconstruction d'une enveloppe convexe pour la section en coupe de la tranche de l'objet en essai; et, figure 5, l'enveloppe de la section en coupe de la tranche de l'objet en essai produite partiellement à partir de la construction de l'enveloppe convexe et partiellement à partir des résultats des mesures par sondage. Un poste d'inspection par tomographie informatisée industrielle (TII), représenté dans ses grandes lignes par la référence 10 en figure 1, comprend un support 12 de manipulateur sur lequel est fixé un objet 14 à inspecter. Comme cela est classique, le support du manipulateur peut se déplacer linéairement suivant des axes horizontaux XY ortho- gonaux et un axe vertical Z, et être animé d'un mouvement de rotation autour de l'axe Z et au moins l'un des axes X et Y, en général l'axe Y. Ces mouvements contr6ôlés du support du manipulateur mettent en place et orientent l'objet en essai entre une source 16 de rayons-X et un réseau 18 généralement - 6 - horizontal d'éléments de détection. La source projette un faisceau 20 en forme d'éventail, collimaté, de rayons-X au droit d'une fine tranche de la section en coupe de l'objet en essai, et le flux de rayons-X atténué différentiellement est détecté par les détecteurs individuels du réseau 18. Comme caractéristiques de la présente invention, le poste d'inspection comprend aussi un système d'inspection par mesure, représenté dans ses grandes lignes par la référence 22. Ce système comporte un support en une pièce 24 sur lequel est montée la tête 26 d'une sonde motorisée, sur laquelle est en saillie un style 28 de sonde à effleurement. Le support est monté de manière à se déplacer linéairement de façon contrôlée suivant les axes orthogonaux X, Y et Z, alors que la tête de la sonde peut tourner autour des axes orthogonaux de manière à orienter correctement le style par rapport à l'objet en essai. Un système approprié d'inspection par mesure pour emploi dans la présente invention est le PH9 Automated Inspection System (Système d'inspection automatique PH9) commercialisé-par la société Renishaw Inc. de Schaum- burg, Illinois. On remarquera qu'à la place d'une sonde à ef- fleurement, le système d'inspection peut utiliser une sonde sans contact, par exemple une sonde de balayage par laser qu'on peut également se procurer auprès de la société Renishaw Inc. Le système d'inspection par mesure, après étalonnage par sondage d'un point de référence fixe 30, manipule le style 28 de manière à sonder la surface extérieure de l'objet en essai, ou surface limite, à une multitude de points en conformité avec un plan de mappage programmé et par consé- quent à localiser dans l'espace les points sondés de la surface sur la base du même système de coordonnées à trois axes de l'objet en essai 14 mis en place par le manipulateur 12. Ainsi, les mouvements et positions de la sonde et du support du manipulateur peuvent être commandés par un contrôleur numérique commun à ordinateur, non représenté. -7- Pour effectuer une inspection, l'objet en essai 14 est généralement balayé en premier lieu dans un mode de radiogra- phie numérique (RN), dans lequel il est indexé verticalement suivant l'axe Z, par l'intermédiaire du faisceau 20 de rayons-X, par le support 12 du manipulateur de manière à produire une suite de radiographies de la section en coupe de l'objet. Si, à partir de ces radiographies, l'opérateur remarque une zone suspecte dans l'objet en essai, on choisit une ou plusieurs tranches de tomographie informatisée (TI) impliquant la zone suspecte pour procéder à une inspection TII. Comme cela est bien connu, l'inspection TII implique la mise en lace verticale de l'objet test suivant l'axe Z de manière à mettre en alignement un plan de la tranche sélectionnée de la zone suspecte et le faisceau de rayons-X, puis la mise en rotation de l'objet en essai suivant un angle d'au moins 180 plus l'angle inclus du faisceau de rayons-X dans une série d'étapes de même valeur. A chaque étape ou angle de projection du balayage TI, l'atténuation du flux de rayons-X par la densité de l'objet en essai comprenant la tranche TI est détectée par les détecteurs individuels du réseau 18 pour produire une donnée d'atténuation des rayons- X. Cette donnée est traitée dans un angle de balayage TI complet de la manière classique, par exemple par rétroprojec- tion filtrée, pour reconstruire une image TI de la section transversale de l'objet en essai comprise dans la tranche TI. la figure 3 représente un dispositif de visualisation typique 32 sur lequel est affichée l'image de la section en coupe de la tranche, telle qu'elle est reconstruite seulement à partir de la donnée d'atténuation des rayons-X. Ce dispositif de visualisation comprend une matrice de pixels 34. Lors de la reconstruction d'uné image TI, la position de l'objet en essai dans le champ de vision du dispositif de visualisation à chaque angle de projection du balayage TI n'est pas connue. Ainsi, le degré de l'atténuation du flux des rayons-X détecté par chaque élément de détection à un -8- angle de projection particulier doit faire l'objet d'une moyenne pour tous les pixels du dispositif de visualisation qui sont effectivement en alignement entre lui et la source de rayons-X. Comme on le remarquera en figure 3, une vaste -5 majorité des pixels sont au-delà de l'enveloppe de la section transversale de l'objet en essai; néanmoins, ils sont activés proportionnellement à partir de la donnée d'atténua- tion des rayons-X mais comme s'ils étaient impliqués dans l'enveloppe de la section transversale de l'objet en essai. Ce n'est qu'après traitement de toutes les données radio- graphiques provenant de tous les détecteurs à tous les angles de projection dans l'angle complet du balayage TI, qu'une image TI de la section transversale de la tranche de l'objet en essai peut être reconstruite avec une définition raison- nable de la limite. Selon la présente invention, la donnée de mesure de l'objet en essai produite par le système d'inspection 22 est traitée avec la donnée d'atténuation TI des rayons-X, comme cela est illustré. dans le schéma fonctionnel sous forme de blocs de la figure 2, pour reconstruire une image de la - section en coupe transversale de la tranche de l'objet en essai ayant une qualité améliorée. Ainsi, avant de procéder à l'inspection TI d'un ou de plusieurs plans des tranches dans une zone suspecte de l'objet en essai telle qu'elle est identifiée pendant l'inspection RN, le système d'inspection 22 par mesure est mis en oeuvre pour conduire une suite de sondages des surfaces de l'objet limitant la tranche en conformité avec un plan de mappage programmé. Ces sondages, indiqués en 28a en figure 5, localisent avec précision les points sondés de la limite de l'objet dans l'espace par rapport au même système de coordonnées X-Y qui est appliqué dans le traitement et l'affichage de l'image TI reconstruite (figure 3). Le nombre des sondages et des séparations entre les points sondés de la limite sont prédéterminés sur la base de la géométrie particulière du contour de la surface de -9- l'objet en essai impliqué de manière à produire une donnée de mesure a priori (bloc 36) pour reproduire fidèlement la limite extérieure ou enveloppe (bloc 38) de la tranche de l'objet devant être inspectée par tomographie informatisée. -Dès que l'enveloppe de la tranche est déterminée et référencée par rapport au système approprié de coordonnées X- Y, une inspection TI de la tranche ou des tranches suspectes peut être effectuée pour produire une donnée d'atténuation des rayons-X (bloc 40) à partir de laquelle une image TI de la section en coupe de la tranche est reconstruite par un moyen approprié, par exemple par rétroprojection filtrée, indiquée par le bloc 42 en figure 2. L'image TI reconstruite est transformée dans un processus itératif (bloc 44) dans un va-et-vient entre l'espace-objet et l'espace de projection, avec chaque transformation dans l'espace-objet corrigée par la donnée a priori sur l'enveloppe de la tranche. Fondamenta- lement, cela implique la limitation de l'application ou de l'affectation de la donnée d'atténuation des rayons-X aux seuls pixels 34 (figure 3) impliqués dans l'affichage de l'image de la section tansversale. Cela a pour effet de remettre à zéro les pixels représentés qui se trouvent au- delà de la limite de l'objet en essai par la donnée sur la limite définissant l'enveloppe. Comme cela est enseigné dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 032 804 indiquée ci-dessus et dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 506 327, les autres informations a priori disponibles qui concernent l'objet en essai sont les limites supérieure et inférieure de la densité de son matériau, bloc 46 en figure 2. Ainsi, avec le processus d'itération 44, des corrections supplémentaires peuvent être apportées en remettant à la limite supérieure les pixels 34 qui présentent une densité de l'objet dépassant la limite supérieure et en remettant à zéro les pixels ayant une densité de l'objet plus petite que la limite inférieure. Si un angle complet de balayage TI est obstrué ou que - 10 - le flux de rayons-X est l'objet d'une sur-atténuation à certains angles de projection, l'algorithme de reconstruction de l'image à angle limité, développé dans l'article ayant pour titre "Tomographical Imaging with Limited-Angle Input", Tam et Perez-Mendez, J. Opt. Soc. Am., 71 (1981) pages 582- 592, (Imagerie tomographique avec entrée à angle limité) peut aussi être utilisé dans le processus d'itération 44. Le résultat est une image TI reconstruite, corrigée, de la section transversale de la tranche de l'objet, qui est grandement affichée sur le dispositif de visualisation 32 par une meilleure définition. Ainsi, même de petits défauts peuvent être facilement visualisés, et les particularités internes sont affichées avec une telle clareté que leurs caractéristiques dimensionnelles peuvent être mesurées avec précision. Selon une caractéristique supplémentaire de la pré- sente invention, pour accélérer le développement de la donnée de mesure 36 par le système d'inspection 22, l'enveloppe convexe de l'objet en essai aux plans des tranches TI est produite (bloc 48) à partir de la donnée de projection radiographique. Comme cela est décrit dahs la demande de brevet n 032 804 mentionnée ci-dessus, l'objet en essai est balayé par le faisceau 20 de rayons-X à une valeur de l'énergie inférieure à la valeur normale du balayage TI à une multiplicité d'angles de projection dans l'angle de balayage TI complet. Les données radiographiques détectées sont projetées pour chaque angle de projection, et les projections sont l'objet d'une rétroprojection pour obtenir des bandes de rétroprojection, chacune avec la limite de l'objet clairement délimitée. Toutes les bandes de rétroprojection se chevau- chent, soit par intersection soit par superposition, pour construire une zone en forme de polygone qui correspond à l'enveloppe convexe de l'objet en essai, comme cela est indiqué en 50 de la figure 4. On voit que cette construction de l'enveloppe convexe correspond assez exactement à la - 1 1 - formation 52 de la surface convexe de l'enveloppe de la section transversale de l'objet, mais s'écarte sensiblement de sa formation 54 pour la surface concave. Cela indique que la donnée 38 sur la limite de l'enveloppe de la tranche TI peut être produite en utilisant la construction de l'envelop- pe convexe pour définir les parties de la surface convexe et les sondages du système d'inspection par mesure pour définir les parties de la surface concave. Cela est illustré en figure 2, dans laquelle la donnée 48 sur l'enveloppe convexe et la donnée 36 sur la mesure par sondage sont traitées en combinaison de manière à produire l'enveloppe 38 de la tranche TI. Comme la donnée sur l'enveloppe convexe peut définir et localiser avec précision la formation de la surface convexe de l'objet, seul un petit nombre représenta- tif des sondages par le système d'inspection par mesure est nécessaire pour référencer. la donnée sur les points de la limite développée par les sondages plus concentrés et nombreux des formations de la surface concave par rapport à la donnée sur l'enveloppe convexe. Comme la donnée sur l'enveloppe convexe peut être produite beaucoup plus vite que la donnée sur la mesure des points sondés de la limite, on économise un temps considérable pour la réalisation de l'enveloppe de la tranche TI et par conséquent pour la reconstruction finale de l'image TI de haute qualité, corrigée par l'information a priori, telle qu'elle est affichée dans le dispositif de visualisation 32. D'après la description précédente on voit que la présente invention apporte des perfectionnements importants à l'imagerie TI pour faciliter grandement l'inspection indus- trielle non-destructive de parties critiques, qui, par nécessité, devient de plus en plus importante dans un certain nombre d'industries. - 12 - REVENDICATIONS 1. Procédé de reconstruction d'une image en tomogra- phie informatisée (TI) de la section transversale d'un objet en essai (14) , caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: A. Supporter (12) l'objet en essai dans une position d'essai. B. Sonder (28) l'objet en essai à une multitude de points e la surface extérieure en conformité avec un plan de mappage prédéterminé. C. Développer une donnée de mesure (36) localisant dans l'espace les points sondés de la surface. D. Produire à partir de la donnée de mesure une donnée sur la limiteenveloppe (38) définissant l'enveloppe de la section transversale de l'objet en essai devant fait l'objet d'une imagerie; E. Exposer (16) aux rayons-X (20) l'objet en essai à une multitude d'angles de projection pour produire une donnée d'atténuation des rayons-X (40) à chaque angle de projection F. Traiter la donnée d'atténuation des rayons-X pour reconstruire (42) une image TI de la section transversale de l'objet en essai; G. Corriger (44) l'image reconstruite avec la donnée sur la limite en restreignant l'application de la donnée sur l'atténuation des rayons-X à la section transversale de l'objet en essai et H. Afficher (32) une image reconstruite, corrigée, de la section transversale de l'objet en essai. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'image reconstruite, corrigée, est affichée sur un dispositif de visualisation (32) à matrice de pixels (34), l'étape de correction comprenant la remise à zéro de la donnée sur l'atténuation des rayons-X affectée aux pixels d'affichage indiqués par la donnée sur la limite comme se - 13 - trouvant au-delà de l'enveloppe de la section transversale, ayant fait l'objet d'une imagerie, de l'objet en essai. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de correction comprend en outre l'étape de remise des pixels affichant l'image de la section transversale aux limites connues de la densité de l'objet en essai. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes consistant à développer une donnée (48) sur la projection radiographique définissant l'enveloppe convexe de la section transversale de l'objet en essai, et à combiner sélectivement la donnée sur la projec- tion radlographique et la donnée de mesure pour produire la donnée sur la limite définissant l'enveloppe. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de correction comprend l'étape de transformation par itération (44) de l'image TI reconstruite dans un mouvement de va-et-vient entre l'espaceobjet et l'espace de projection, et l'étape de correction de chaque transformation de l'image en espace-objet avec la donnée sur la limite. 6. Procédé de reconstruction d'une image en tomogra- phie informatisée (TI) de la section transversale d'un objet en essai (14) pour affichage sur un dispositif d'affichage (32) à matrice de pixels (34), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: A. Supporter (12) l'objet en essai dans une position de test; B. Sonder (28) les formations (54) de la surface extérieure concave de l'objet en essai à une multitude de points pour produire une donnée de mesure localisant dans l'espace les points sondés de la surface concave; C. Balayer (16) l'objet en essai à une multitude d'angles de projection pour produire une donnée sur la projection radiographique à chaque angle de projection définissant l'enveloppe convexe de l'objet en essai et pour localiser dans l'espace les formations (52) de la surface - 14 - convexe de l'objet en essai; D. Ajuster la donnée de mesure et la donnée sur la projection radiographique pour produire une donnée sur une limite définissant et localisant dans l'espace l'enveloppe -5 complète de la section transversale de l'objet en essai; E. Exposer l'objet en essai aux rayons-X à une multitude d'angles de projection pour produire une donnée (40) sur l'atténuation des rayons-X représentative de la densité de la section en coupe de l'objet en essai à chaque angle de projection; F. Traiter la donnée sur l'atténuation des rayons-X pour reconstruire une image TI de la section transversale de l'objet en essai; G. Corriger (44) l'image TI avec la donnée sur la limite en remettant à zéro les pixels d'affichage se trouvant au-delà de l'enveloppe de la section tarnsversale de l'objet en essai; et H. Afficher (32) une image TI reconstruite, corrigée, de la section transversale de l'objet en essai sur le dispositif de visualisation à matrice à pixels (34). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape de sondage comprend en outre le sondage des formations (52) de la surface convexe de l'objet en essai à un nombre suffisant de points pour produire une donnée sur une mesure de référence, et l'étape d'ajustement utilise cette donnée de mesure de référence pour rapporter spaciale- ment la donnée sur la projection radiogaphique à la donnée sur la mesure des formations de la surface convexe dans la production de la donnée sur la limite définissant l'enveloppe de la section transversale de l'objet en essai. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de correction comprend en outre la remise des pixels affichant l'image de la section transversale aux limites connues de la densité de l'objet en essai. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce - 15 - que l'étape de correction comprend en outre la transformation par itération (44) de l'image TI reconstruite dans un mouvement de va-etvient entre l'espace-objet et l'espace de projection, et la correction de chaque transformation en espace-objet avec la donnée sur la limite et les limites de la densité de l'objet en essai.