Brevet FR2924496A1 — publié le 20090605

SYSTEME ET PROCEDE D'IMAGERIE A TROIS DIMENSIONS D'UN OBJET DESCRIPTION Domaine technique L'invention concerne un système d'imagerie à trois dimensions (3D) d'un objet, à base de microtomographie par rayons X ou électroniques. Le domaine technique de l'invention est celui du contrôle non destructif, et plus spécifiquement celui de l'imagerie industrielle. Etat de la technique antérieure Du fait d'un besoin toujours croissant d'aller observer à des échelles de plus en plus petites, de nombreuses applications en imagerie se trouvent aujourd'hui confrontées à des échelles spatiales de plus en plus difficiles à atteindre, micromètrique, voire moins. Les techniques de radiographie et tomographie basées sur des rayons X sont employées dans l'industrie depuis de nombreuses années. Les images sont en général interprétées directement à partir des radiographies, ou dans certains cas des reconstructions tomographiques sont mises en oeuvre par des techniques de reconstruction analytiques. La difficulté pour imager des objets de petite dimension est que le champ de vue peut, dans certains cas, être restreint. On parle alors d'une vue partielle de l'objet ou d'un angle de vue limité. Cela revient, dans les deux cas, à reconstruire l'objet avec des informations manquantes sur la description de l'objet. Il est alors nécessaire d'introduire des informations a priori au cours des reconstructions. Les algorithmes itératifs sont les meilleurs candidats possibles pour réaliser les reconstructions. Les solutions de l'art connu reposent essentiellement sur l'utilisation de moyens lourds, tels que les synchrotrons par exemple, grands instruments de la physique. L'objet de la solution proposée dans l'invention est de permettre l'équipement de laboratoires sans avoir recours à ces grands instruments, tout en permettant un résultat quasiment équivalent. Les coûts de ces grands instruments sont de l'ordre de plusieurs centaines de millions d'euros, alors que la solution proposée se chiffre en quelques centaines de kilo euros. Ces instruments sont limités en nombre, il en existe deux en France (ESRF à Grenoble ; Soleil à Saclay). Les accès au faisceau sont extrêmement limités, en fréquence et en durée accordée. Il est estimé que deux à trois demandes sur quatre sont refusées. La qualité des résultats de ces instruments reste néanmoins une référence, comme décrit dans le document référencé [1] en fin de description. Pour l'analyse fine à très haute résolution spatiale, les solutions de l'art connu nécessitent une taille d'objet petite, présentant un rapport de forme (rapport largeur sur épaisseur) faible, inférieur à 2 ou 3. Ceci conduit à une opération de prélèvement sur l'échantillon qui enlève le caractère non invasif/non destructif de l'opération d'analyse. L'invention a pour objet d'améliorer de façon significative la qualité des images 3D issues des mesures tomographiques, en réalisant une imagerie d'objets présentant des rapports de forme plus élevés que ce que permet les solutions de l'état de l'art connu (mais les rapports de formes faibles peuvent également être traités, comme pour les solutions de l'art connu). Des résolutions microniques sont attendues ; la détection de détails, d'inclusions beaucoup plus fins devenant alors possible. Comme exemple (non limitatif), l'invention permet d'obtenir de très bonne résolution dans un échantillon parallélépipédique de dimension 10x10x1 mm3 alors que les solutions de l'état de l'art nécessitent de prélever dans cet échantillon un sous échantillon de lxlxl mm3. Exposé de l'invention L'invention concerne un système d'imagerie à trois dimensions d'un objet, caractérisé en ce qu'il comprend : - une partie d'acquisition de données concernant cet objet, comportant : . une source focalisée de rayons X ou d'électrons, . un détecteur imageur bas bruit à comptage de photons ou d'électrons, . une mécanique de précision micronique, - une partie de traitement des données acquises, comportant : . des moyens itératifs de reconstruction tomographique des images en trois dimensions. Avantageusement, la source de rayons X a une taille de foyer comprise entre 0,1 }gym et 5 }gym. Le détecteur est un détecteur très bas bruit. La mécanique de précision micronique est mobile selon trois axes orthogonaux OX, Y, Z et selon un angle O. L'objet à étudier peut être, par exemple, un échantillon de mousse poreuse de nickel de rapport de forme compris entre 5 et 20 (largeur / épaisseur) dont la largeur peut aller jusqu'à 10 millimètres. L'invention concerne également un procédé d'acquisition à trois dimensions d'un objet comprenant les étapes suivantes . - une étape d'acquisition des données, - une étape de traitement des données acquises, comprenant : . une étape d'initialisation, . une étape de test de convergence : critère d'arrêt respecté ? . une étape d'arrêt des itérations si la réponse à l'étape de test est positive, ou . une étape de reconstruction si la réponse à l'étape de test est négative. Avantageusement, l'étape d'initialisation comprend : - une rétroprojection, - une segmentation, - une estimation des hyperparamètres. L'étape d'arrêt des itérations permet d'obtenir . - une image 3D reconstruite, - des critères de convergence, - un indicateur de qualité d'image. L'étape de reconstruction comprend : - une optimisation sur la base de la segmentation et des hyperparamètres : projection(s), rétroprojection(s) et régularisation(s), - une segmentation, - une estimation des hyperparamètres. Le caractère inventif de l'invention est lié à la combinaison de moyens à hautes performances, à la fois de la source de rayons X ou d'électrons, de la mécanique de précision, du détecteur imageur et de l'algorithme de reconstruction. Les avantages techniques apportés par l'invention découlent de la mise en oeuvre d'une source de rayons X ou d'électrons, un détecteur à comptage de photons ou d'électrons, très bas bruit, une mécanique de haute précision et un algorithme de reconstruction 3D des images à haute performance. La combinaison de ces moyens permet de reconstruire des images tomographiques de qualité équivalente (dans certains cas, objet statique) à ce qui peut être obtenu sur synchrotron. De plus, la mise en oeuvre des méthodes de reconstruction itératives, et en particulier une méthode fondée sur la modélisation markovienne avec champs cachés, permet la reconstruction et la segmentation simultanées de l'image. Les applications étudiées tournent autour des développements autour des thématiques hydrogène et pile à combustibles. Elles portent plus spécifiquement sur la caractérisation de composants poreux de piles. Pour la caractérisation précise de ces milieux poreux et éventuellement la spécification de milieux poreux optimaux, la connaissance très précise des géométries est indispensable. De ce fait, de l'imagerie X 3D est mise en oeuvre. Les autres domaines d'applications potentielles sont vastes et concernent notamment les secteurs: - de l'énergie : composants d'électrolyseurs, catalyse dans réacteurs pétroliers, - du transport : mousses de pare-choc de voiture, rembourrage de tableau de bord, de sièges, - de l'agroalimentaire : structures d'aliments fibreux (pain, biscuits, ...), d'aliments laitiers (mousse au chocolat), - de la cosmétique / pharmacie : structure de crèmes, médicaments, système d'injection de médicaments aérosols... - des matériaux : caractérisation de structures, soudures... pour lesquels de petits objets (dimension millimétrique) doivent être imagés à très haute résolution spatiale (micronique), de manière non destructive, pour en tirer des propriétés physiques et morphologiques. Brève description des dessins Les figures 1 et 2 illustrent le système de l'invention. La figure 3 représente un algorithme du procédé de l'invention. La figure 4 représente un schéma illustrant la base de la projection et de la rétroprojection dans le procédé de l'invention. Exposé détaillé de modes de réalisation particuliers Comme illustré sur la figure 1, le système d'imagerie 9 de l'invention comprend : - une partie d'acquisition des données concernant l'objet 10, illustrée sur la figure 2, comportant : . une source focalisée 11 de rayons X ou d'électrons, la taille de foyer étant par exemple de l'ordre de 1 pm, . un détecteur imageur à haute performance 12, à comptage de photons ou d'électrons, très bas bruit (moins de 1 coup par minute), efficace à basse énergie ( Exemple de réalisation Une description plus précise de ces différents éléments est donnée dans l'exemple ci-dessous. a) La source 11 . Les spécifications typiques d'une telle source sont les suivantes : - émission dans un cône divergent ayant un angle couvrant la surface du détecteur, par exemple de 160°, - distance entre la source et l'objet inférieure à 1 mm, permettant des grandissements géométriques compris entre 1 et 100, pour une distance source foyer de 100 mm, - taille de foyer comprise entre 0,15 et 5 }gym, - tension de travail du générateur de 20 kV, - puissance de travail du générateur de 10 W, b) Le détecteur imageur 12 : Les spécifications de ce détecteur sont par exemple les suivantes : - détecteur imageur à comptage de photons ou d'électrons, permettant d'éliminer le bruit électronique par seuillage, -très bas bruit, moins de 1 coup par minute sur l'ensemble de l'image, -présente une efficacité de détection supérieure à 90 % pour des photons d'énergie inférieure à 20 keV, - présente une taille de pixels inférieure à 100 }gym, par exemple égale à 55 }gym, - présente un champ de vue pour les images de 14 x 14 mm', - présente un nombre de pixels supérieur à 256x256, - est piloté en mode séquence, pour être synchronisé avec les mouvements mécaniques. c) La mécanique de précision 13 : Les spécifications de cette mécanique sont les suivantes . - présente au moins quatre mouvements pour placer l'échantillon dans l'axe du faisceau, - présente une précision inférieure ou égale au micromètre pour les avances linéaires et au millième de degré pour les rotations, - présente une course suffisante pour déplacer l'objet, - est pilotée en mode séquence, pour être synchronisé avec les acquisitions d'images. d) L'algorithme de reconstruction itératif : Les spécifications minimales de cet algorithme sont les suivantes : - 3D, - algébrique itératif, -projection, - rétroprojection, - optimisation, - régularisation, -segmentation. e) L'objet à étudier L'objet à étudier est un échantillon de mousse poreuse de nickel de rapport de forme 1 pour 10(épaisseur/largeur) ayant une largeur de l'ordre du millimètre. REFERENCE [1] "Advances in synchrotron radiation microtomography" de Baruchel I. et al (Scripta Materiala, 2006, pages 41 à 46). REVENDICATIONS 1. Système d'imagerie à trois dimensions d'un objet (10), caractérisé en ce qu'il comprend . - une partie d'acquisition de données concernant cet objet, comportant . . une source focalisée de rayons X d'électrons (11), . an détecteur 'mageur {12) à comptage de photons ou d'électrons, . une mécanique de précision micronique (13), - une partie de traitement Ces cannées acquises, comportant des moyens itératifs de reconstruction tomographique ueo g e s en trois dimensions. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel la source (l1) est une source dont la taille de foyer est comprise entre 0,1 gm et d un:. 3. Système selon la revendication ï, dans lequel le détecteur est un détecteur très bas bruit. 4. Système selon la revendication 1, dans lequel la mécanique de précision micronique est mobile selon trois axes orthogonaux (OX, Y, Z) et selon Ln angle (0) 5. Système selon la revendication 1, dans lequel l'objet (10) est un échantillon de rapport deforme compris entre 5 et 20, dont la largeur oeuf aller jusqu'à 10 millimètres. 6. Procédé d'imagerie à trois dimensions d'un objet comprenant les étapes suivantes une étape d'acquisition de données (2.0), - une étape de traitement des données acquises comprenant . . une étape d'initialisation . urge étape de test de convergence (22) critère d'arrêt respecté ? . une étape d'arrêt des itérations (23) si la réponse à l'étape de test est positive, ou . ::ne étape de reconstruction (24) si la réponse à l'étape de Lest est négative. 7. Procédé selon la revendication 6, dans laquelle l'étape d'initialisation comprend : - une .rétroprojection, - une segmentation, -une estimation des ryperparamètres. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'étape d'arrêt des itérations permet d'obtenir : une image 3D reconstruite, des critères de convergence, un indicateur de qualité d'image. 9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'étape de reconstruction comprend .- une optimisation sur la base de la segmentation et des hyperparamètres projection(s), rétroprojection(s) et régularisation(s), -une segmentation, - une estimation des hyperparamètres. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, qui est utilisé dans le domaine du contrôle non destructif.