Brevet FR3127836A1 — publié le 20230407

Dispositif (1) d’imagerie plénoptique pour former une image du champ lumineux d’un objet (O) comprenant : un porte échantillon (SH) adapté pour maintenir ledit objet, un ensemble optique principal (LP), agencé pour focaliser des rayons du champ lumineux dudit objet, à une distance dite objet du porte échantillon inférieure à une distance focale objet dudit ensemble optique principal de manière à former une image virtuelle intermédiaire ( dudit objet dans un plan image intermédiaire à une distance dudit ensemble optique, un ensemble d’échantillonnage du champ lumineux (LFS) adapté pour acquérir une information spatio-directionelle des rayons formant l’image virtuelle et pour former ladite image du champ lumineux. Fig. 2 Dispositif d’imagerie plénoptique avec image intermédiaire virtuelle La présente invention concerne le domaine des dispositifs d’imagerie plénoptique et le domaine de l’imagerie par rayons X. Les appareils photos numériques conventionnels fournissent une image bidimensionnelle d’une scène tridimensionnelle. Cette image bidimensionnelle représente la quantité totale de lumière qui éclaire chaque point sur le photodétecteur au sein de l’appareil. Cependant, cette image bidimensionnelle ne contient aucune information sur la direction de la lumière qui illumine le photodétecteur. A l’inverse, les dispositifs d’imagerie plénoptique échantillonnent le champ lumineux 4-D provenant d’une scène. Le champ lumineux 4D ou radiance (ou « light- field » en anglais) est une représentation de tous les rayons de lumière dans l’espace libre. C’est une fonction ou sont des vecteurs qui représentent la position et la direction d’un rayon intersectant un plan transverse à l’axe optique. Dans un dispositif d’imagerie plénoptique, l’échantillonnage de la direction du champ lumineux est réalisé par une mesure de l’inclinaison des rayons par exemple via une matrice de microlentilles. Les figures 1A et 1D illustrent deux configurations de dispositif d’imagerie plénoptique connues de l’homme de l’art, dénommées respectivement configuration « traditionnelle » et configuration « focalisée ». Dans la configuration traditionnelle, illustrée en figure 1A, le dispositif comprend une lentille principale objectif 100, une matrice de microlentilles 101 et un photodétecteur matriciel 102. Dans cette configuration, la matrice de microlentilles est disposée dans un plan conjugué optiquement par la lentille principale avec le plan objet, c’est-à-dire que , avec la distance entre l’objet 103 et la lentille principale 100, la distance entre la lentille principale 100 et la matrice de microlentille 101 et la focale de la lentille principale. De cette manière l’image de l’objet, image intermédiaire, est formée directement dans le plan de la matrice de microlentille 101. Dans la configuration traditionnelle, le photodétecteur 102 est placé à une distance de la matrice de microlentilles 101 égale à la distance focale de chaque microlentille. De cette manière, la matrice de microlentilles est focalisée à l’infini. Comme la distance entre la lentille principale 100 et la matrice de microlentille 101 est très supérieure à la distance focale , cela revient à dire que la matrice de microlentille est focalisée sur la lentille principale 100. Ainsi, l’image enregistrée par le photodétecteur 102 est formée d’une pluralité de micro-images de la lentille principale. Comme l’illustre la , la matrice de microlentille 101 permet de séparer les composantes spatiales des composantes angulaires. Les composantes spatiales sont échantillonnées directement par les microlentilles car chaque microlentille est associée à une portion différente de l’image formée par la lentille principale. La détection des composantes angulaires est réalisée par les pixels de chaque micro-image 104. En effet, chaque microlentille sépare un faisceau provenant de la lentille principale en des rayons provenant de différentes portions de l’ouverture de la lentille principale. Chacun de ces rayons est détecté par un pixel du photodétecteur et les pixels formant chaque micro image 104 sont associés à différents angles des rayons. La présente un exemple d’une image plénoptique « brute » ou image du champ lumineux obtenue par un dispositif plénoptique et formée par l’ensemble des micro-images, tirée de Ren Ng. Digital Light Field Photography. PhD thesis, Stanford University, CA, USA, 2006. AAI3219345 ou encore dans Lumsdaine, A., & Georgiev, T. (2009, April). A partir de l’information angulaire contenue dans cette image du champ lumineux, il est possible de reconstruire une image focalisée à une certaine profondeur avec des algorithmes de refocusing . Pour cela, le champ lumineux est extrait de l'image plénoptique brute et rétroprojeté dans l'espace objet. Cette étape peut être réalisée de différentes manières (stereo-estimation, algorithme shift-and- sum algorithm , rendering with blending, méthode "superresolution"… ). L'algorithme imite synthétiquement l'action de la focalisation optique sur un capteur, comme si l'image était acquise par un appareil photo classique. L'image résultante contient les éléments mis au point qui correspondent à la profondeur du refocusing , mais aussi les éléments hors-focus des plans de profondeur adjacents. Une reconstruction avec l'algorithme de refocusing possède les mêmes propriétés qu'avec la photographie classique : les éléments focalisés sont reconstruits de façon nette, alors que les éléments hors-focus sont flous. Une description précise de certains algorithmes de refocusing peut être trouvée dans Ren Ng. Digital Light Field Photography. PhD thesis, Stanford University, CA, USA, 2006. AAI3219345, Todor Georgiev, Georgi Chunev, and Andrew Lumsdaine. Superresolution with the focused plenoptic camera. SPIE Electronic Imaging,7873:1–13, 2011, ou encore dans Lumsdaine, A., & Georgiev, T. (2009, April). The focused plenoptic camera. In 2009 IEEE International Conference on Computational Photography (ICCP) (pp. 1-8). IEEE. A la différence de la configuration traditionnelle, dans la configuration focalisée, l’image intermédiaire n’est pas formée dans le plan de la matrice de microlentilles ML. Cette matrice peut être respectivement placée avant ou après (comme cela est illustré en ) l’image intermédiaire formée par la lentille principale. La principale différence entre les deux méthodes est que, dans la configuration focalisée, les propriétés des micro images varient en fonction de la profondeur de l’objet dans l’espace objet. Ainsi, le grandissement de chaque micro-image varie en fonction de la profondeur de l’objet dans l’espace objet. De plus, il existe un décalage latéral de la position imagée par les micro-images adjacentes en fonction de la profondeur. La configuration focalisée permet une plus grande résolution spatiale mais une résolution angulaire plus faible que la configuration traditionnelle (voir Lumsdaine, A., & Georgiev, T. (2009, April). The focused plenoptic camera. In 2009 IEEE International Conference on Computational Photography (ICCP) (pp. 1-8). IEEE.). Les dispositifs d’imagerie plénoptique offrent théoriquement la possibilité de reconstruire une image 3D d’un échantillon partiellement transparent aux rayons X en refocalisant une image 2D de l’échantillon en différents plans. Cependant, pour les dispositifs d’imagerie plénoptique qui possèdent des résolutions limitées par la diffraction de la lentille principale, les résolutions latérale et longitudinale varient en 1/NA et 1/NA 2 , avec NA l’ouverture numérique objet de la lentille principale. Or, dans le domaine des rayons-X dur (donc pour des énergies de photons supérieures à quelques keV), les optiques actuellement possèdent des ouvertures numériques très faibles (typiquement inférieure à 0.001). Cette faible ouverture numérique produit alors des voxels présentant une dimension associée à la profondeur qui est plus grande plusieurs ordres de grandeur que les deux autres dimensions associées à la résolution latérale. La reconstruction en 3 dimensions est alors très compliquée en raison d’une très forte perte de résolution longitudinale. L’invention vise à pallier certains problèmes de l’art antérieur. A cet effet, un objet de l’invention est un dispositif d’imagerie plénoptique dans lequel l’objet est placé entre le plan focal objet et la lentille principale afin de créer une image virtuelle placée du côté de l’objet pour la lentille principale. Cette nouvelle configuration produit une amélioration de la résolution latérale, longitudinale et angulaire et de la profondeur de champ comparativement à un dispositif de l’art antérieur avec une configuration focalisée, ce qui est un avantage majeur pour la réalisation de caméra plénoptique dans les rayons X qui sont pour l’instant très handicapées par la faible ouverture numérique des optiques X. Comparativement à un dispositif de l’art antérieur avec une configuration traditionnelle, le dispositif de l’invention permet une amélioration de la résolution latérale et longitudinale. A cet effet, un objet de l’invention est un dispositif d’imagerie plénoptique pour former une image du champ lumineux d’un objet comprenant : un porte échantillon adapté pour maintenir ledit objet, un ensemble optique principal, agencé pour focaliser des rayons du champ lumineux dudit objet, à une distance dite objet du porte échantillon inférieure à une distance focale objet dudit ensemble optique principal de manière à former une image virtuelle intermédiaire dudit objet dans un plan image intermédiaire à une distance dudit ensemble optique, un ensemble d’échantillonnage du champ lumineux adapté pour acquérir une information spatio-directionelle des rayons formant l’image virtuelle et pour former ladite image du champ lumineux. Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, ledit ensemble d’échantillonnage du champ lumineux comprend un photodétecteur matriciel une matrice de microlentilles agencée à une distance du plan image intermédiaire, le photodétecteur étant agencé à une distance de la matrice de microlentille, chaque microlentille étant de diamètre et présentant une distance focale et étant adaptée pour former une micro-image d’une partie respective de l’image virtuelle de l’objet sur une portion respective du photodétecteur, chaque dite portion comprenant une pluralité de pixels, les micro-images formant ladite image du champ lumineux. De manière préférentielle, dans ce mode de réalisation préféré, une ouverture numérique image de l’ensemble optique principal est inférieure ou égale à une ouverture numérique image de chaque microlentille. De manière préférentielle, dans ce mode de réalisation préféré, le photodétecteur est dans un plan conjugué du plan image intermédiaire par la matrice de microlentilles. De manière préférentielle, dans ce mode de réalisation préféré, on a , avec le diamètre de l’ouverture de l’ensemble optique principal. De manière préférentielle, dans ce mode de réalisation préféré, une distance entre la matrice de microlentille et l‘ensemble optique principal est supérieure à ladite distance . Selon un mode de réalisation du dispositif de l’invention, le dispositif comprend un processeur adapté pour mettre en œuvre un algorithme de refocus ing permettant de reconstruire une image de profondeur ou une image 3D de l’objet à partir de ladite image du champ lumineux. Selon un mode de réalisation du dispositif de l’invention, l’ensemble optique principal et la matrice de microlentilles sont adaptés pour les rayons X. Selon un mode de réalisation du dispositif de l’invention, l’ensemble optique principal est un « photon sieves ». Selon un mode de réalisation du dispositif de l’invention, le dispositif de l’invention comprend une source de rayons X illuminant ledit objet de manière à former ledit champ lumineux de l’objet. Un autre objet de l’invention est un procédé d’utilisation d’un dispositif d’imagerie plénoptique comprenant un ensemble optique principal et un ensemble d’échantillonnage du champ lumineux, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : placer ledit dispositif de sorte qu’une distance dite objet entre un objet à imager et ledit ensemble optique principal soit inférieure à une distance focale objet dudit ensemble optique principal de manière à former une image virtuelle intermédiaire, acquérir, avec l’ensemble d’échantillonnage du champ lumineux, une information spatio-directionelle des rayons formant l’image virtuelle afin de former une image du champ lumineux de l’objet. D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement : une vue schématique d’un dispositif d’imagerie plénoptique connu de l’homme de l’art, , une vue schématique de rayons formant une micro-image dans un dispositif d’imagerie plénoptique connu de l’homme de l’art, , une image du champ lumineux acquise par un dispositif d’imagerie plénoptique connu de l’homme de l’art, une vue schématique d’un dispositif d’imagerie plénoptique connu de l’homme de l’art, une vue schématique d’un dispositif d’imagerie plénoptique selon l’invention, une représentation des ouvertures numériques de l’ensemble optique principal et d’une ouverture numérique image de chaque microlentille dans le dispositif d’imagerie plénoptique selon l’invention. Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle. Dispositif (1) d’imagerie plénoptique pour former une image du champ lumineux d’un objet (O) comprenant : un porte échantillon (SH) adapté pour maintenir ledit objet, un ensemble optique principal (LP), agencé pour focaliser des rayons du champ lumineux dudit objet, à une distance dite objet du porte échantillon inférieure à une distance focale objet dudit ensemble optique principal de manière à former une image virtuelle intermédiaire ( dudit objet dans un plan image intermédiaire à une distance dudit ensemble optique, un ensemble d’échantillonnage du champ lumineux (LFS) adapté pour acquérir une information spatio-directionelle des rayons formant l’image virtuelle et pour former ladite image du champ lumineux. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit ensemble d’échantillonnage du champ lumineux comprend un photodétecteur matriciel (Det) une matrice de microlentilles (ML) agencée à une distance du plan image intermédiaire, le photodétecteur étant agencé à une distance de la matrice de microlentille, chaque microlentille étant de diamètre et présentant une distance focale et étant adaptée pour former une micro-image ( ) d’une partie respective de l’image virtuelle de l’objet sur une portion respective du photodétecteur, chaque dite portion comprenant une pluralité de pixels, les micro-images formant ladite image du champ lumineux. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel une ouverture numérique image de l’ensemble optique principal est inférieure ou égale à une ouverture numérique image de chaque microlentille. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans le photodétecteur est dans un plan conjugué du plan image intermédiaire par la matrice de microlentilles. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel , avec le diamètre de l’ouverture de l’ensemble optique principal. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel une distance entre la matrice de microlentille et l‘ensemble optique principal est supérieure à ladite distance . Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un processeur adapté pour mettre en œuvre un algorithme de refocusing permettant de reconstruire une image de profondeur ou une image 3D de l’objet à partir de ladite image du champ lumineux. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel l’ensemble optique principal et la matrice de microlentilles sont adaptés pour les rayons X. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel l’ensemble optique principal est un « photon sieves ». Dispositif selon la revendication 8 ou 9, comprenant une source de rayons X illuminant ledit objet de manière à former ledit champ lumineux de l’objet. Procédé d’utilisation d’un dispositif d’imagerie plénoptique comprenant un ensemble optique principal (LP) et un ensemble d’échantillonnage du champ lumineux (LFS), ledit procédé comprenant les étapes suivantes : placer ledit dispositif de sorte qu’une distance dite objet entre un objet à imager et ledit ensemble optique principal soit inférieure à une distance focale objet dudit ensemble optique principal de manière à former une image virtuelle intermédiaire ( , acquérir, avec l’ensemble d’échantillonnage du champ lumineux, une information spatio-directionelle des rayons formant l’image virtuelle afin de former une image du champ lumineux de l’objet.