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

Numerical and experimental studies of X-ray light field imaging systems

• Auteur / Autrice : Ying Li
• Direction : Philippe Zeitoun, Ombeline 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)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau ; 1970 -....)
• Jury : Président / Présidente : Alexis Casner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Zeitoun, Ombeline de La Rochefoucauld-Rossier, David Ros, Sébastien Le Pape, Alessia Cedola
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alexis Casner, David Ros

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique -- Instruments

Mots clés libres

Plénoptique

Rayons X

Imagerie 3D

Light field

X-Rays

3D imaging

Résumé

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.

The information carried by each light ray in space can be parameterized by the coordinates of two planes, which generates the notion of 4-dimension (4D) light field. The imaging system to acquire such 4D light field information, so-called plenoptic camera, has been widely studied in visible. It has been demonstrated in visible light that the captured 4D light field allows for numerically refocusing the image at different depths and rendering a 3D model of the sample with one exposure. So far, however, there have been very limited developments about X-ray light field imaging system.Compared to computed tomography, X-ray light field imaging has two major advantages: On the one hand, X-ray light field imaging has the property of acquiring 3D information with short exposure time, leading to lower doses and thus less radiation damage to biological samples. On the other hand, the data collection of X-ray light field imaging does not require the rotation or the immobilization of the sample, which allows to reconstruct 3D video of alive or moving sample. Therefore, the goal of the thesis is to build a prototype of X-ray plenoptic imaging system with suitable optical elements, enabling quasi-3D X-ray images in very few exposures in primary stage. Theoretical studies, simulations and experimental demonstrations have been carried out on this topic. The related work of the thesis can be divided into four main sections:The first section reviewed the development of light field imaging system in visible light and the relevant refocusing and depth extraction algorithms. We mathematically demonstrated the interconnection between the three refocusing algorithms based on geometrical optics.In the second section, we proposed a plenoptic camera based on Fresnel zone plates (FZP) for soft X-ray of 0.4 keV. To design a dense FZP array for X-ray light field imaging system, there exists a trade-off between the size and the resolution of each FZP, since the imaging performance of a FZP is determined by its geometry. To address this issue, a simulation method based on scalar diffraction has been developed in this section. With the help of the simulation method, the effect of the number of zones on FZP image formation has been discussed, especially the case of very small number of zones.For hard X-rays of 17 keV, we conceived an X-ray light field imaging system with a curved crystal as main “lens”, which is introduced in the third section. A ray-tracing algorithm has been accordingly developed, which allows to examine the imaging property of the crystal with different geometries. Verified by our ray-tracing calculation, toroidally curved crystal exhibits high numerical aperture and point-to-point focusing property and is thus selected to be the main “lens”. The toroidally curved crystals have been purchased and is under experimental tests.The final section reported the experimental work on two plenoptic cameras at different X-ray energy. Firstly, the construction of an experimental X-ray light field microscope in the “water window” (0.43 keV) is described in detail. Secondly, the first experiment of the FZP-based X-ray light field imaging system with synchrotron radiation at 11 keV are presented with results. Numerical focus change and depth extraction have been achieved from X-ray experimental data with the algorithms developed for visible light system. The experimental results demonstrated the applicability of visible light field theory in X-ray range and the feasibility of X-ray light field imaging system.