Thèse soutenue

Études numériques et expérimentales de systèmes d'imagerie plénoptique à rayons X

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Auteur / Autrice : Ying Li
Direction : Philippe ZeitounOmbeline de La Rochefoucauld-Rossier
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 06/07/2022
Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique Appliquée (Palaiseau) - Laboratoire d'Optique Appliquée (Palaiseau)
Etablissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau ; 1970 -....)
Jury : Président / Présidente : Alexis Casner
Examinateurs / Examinatrices : Philippe Zeitoun, Ombeline de La Rochefoucauld-Rossier, David Ros, Sébastien Le Pape, Alessia Cedola
Rapporteurs / Rapporteuses : Alexis Casner, David Ros

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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L’information de chaque rayon lumineux dans l’espace peut être modélisée par les coordonnées dans deux plans, d’où provient la notion de champ de lumière en 4 dimensions (4D). Le système d’imagerie utilisé pour acquérir cette information 4D est appelé caméra plénoptique et a beaucoup été étudié dans le domaine du visible. Il a été démontré pour le domaine du visible que la capture du champ de lumière 4D permet de numériquement refocaliser l’image à différentes profondeurs et d’obtenir un modèle 3D d’un échantillon en une seule acquisition. Cependant, jusqu’à maintenant, peu d’études se sont intéressées aux systèmes d’imagerie plénoptique dans le domaine des rayons X.Comparée à la tomographie, l’imagerie plénoptique à rayons X a deux avantages : d’une part, elle permettrait de réduire le temps d’exposition et donc la dose reçue grâce à la capture du champ de lumière en une seule acquisition, ce qui est intéressant pour limiter les dommages causés aux échantillons biologiques. D’autre part, l’imagerie plénoptique à rayons X ne requiert pas de tourner l’échantillon, ni de l’immobiliser, ce qui permettrait de reconstruire des images 3D d’échantillons vivants ou en mouvement.Le but de ce travail de thèse est donc de construire un prototype de caméra plénoptique avec des éléments optiques fonctionnant pour les rayons X et permettant de façon préliminaire de reconstruire des images quasi-3D en très peu d’acquisitions. Dans ce but, nous avons réalisé une étude théorique, numérique et expérimentale. Le travail présenté dans ce manuscrit est séparé en quatre grandes parties :Dans la première partie, nous faisons une revue du développement des systèmes d’imagerie plénoptique pour la lumière visible ainsi que des algorithmes. Nous avons démontré mathématiquement l’interconnexion entre les trois algorithmes de refocalisation en se basant sur l’optique géométrique.Dans la deuxième partie, nous proposons une caméra plénoptique pour rayons X mous (0.4 keV) basée sur les lentilles de Fresnel (en anglais « Fresnel zone plate », FZP). Pour concevoir une matrice dense de FZP pour l’imagerie plénoptique à rayons X, il faut réaliser un compromis entre la taille et la résolution de chaque FZP. La performance d’une FZP est déterminée par sa géométrie. Pour régler ce problème, une méthode de simulation basée sur la diffraction scalaire a été développée dans cette partie. A l’aide de cette simulation, l’effet du nombre de zones sur la formation d’une image par la FZP est discuté, et particulièrement dans le cas d’un très petit nombre de zones.Pour les rayons X durs (17 keV), nous avons conçu un système d’imagerie plénoptique basé sur un cristal courbé comme « lentille » principale, qui est présenté dans la troisième section. Pour ce faire, un algorithme de tracé de rayons a été développé pour permettre d’étudier les propriétés d’imagerie de différentes configurations du cristal. A l’aide de ces calculs, nous montrons qu’un cristal torique possède une grande ouverture numérique et produit une focalisation point à point. Il convient donc en tant que « lentille » principale de notre système d’imagerie. Ce cristal torique a été livré et est en cours de test.La dernière section décrit deux expériences sur des caméras plénoptiques pour des rayons X à différentes énergies. D’abord, la mise en place d’un microscope plénoptique expérimental dans la fenêtre dite « de l’eau » (0.43 keV) est détaillée. Ensuite, la première expérience avec rayonnement synchrotron à 11 keV d’un système d’imagerie plénoptique à rayons X basé sur les FZP est présentée. Le changement de la focale en fonction de la profondeur et l’information de profondeur de la cible ont été obtenus à partir des données expérimentales et des algorithmes développés pour la lumière visible. Ces résultats montrent la validité pour les rayons X de la théorie plénoptique développée pour la lumière visible, ainsi que la faisabilité d’un système d’imagerie plénoptique à rayons X.