Imagerie de phase en rayons X haute résolution pour le contrôle non-destructif de matériaux composites

High resolution X-ray phase contrast imaging for non-destructive testing of composite materials

• Auteur / Autrice : Georges Giakoumakis
• Direction : Jérôme Primot, Adrien Stolidi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/06/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées (1997-....) - Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Franck Delmotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Picart, Valérie Kaftandjian, Amélie Ferré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Picart, Valérie Kaftandjian

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie

Contrôle non destructif

Traitement du signal

Modulation de phase

Rayons X -- Applications industrielles

Mots clés libres

Rayons X

Imagerie de phase

Traitement image

CND

Interférométrie

X-rays

Phase imaging

Image processing

NDT&E

Interferometry

Résumé

L’imagerie par rayons X est fortement développée dans de nombreux domaines de notre société, notamment dans les milieux industriels, médicaux ou sécuritaires. Classiquement son utilisation repose sur la mesure d’atténuation des rayons X, bien adaptée pour imager des matériaux denses (métaux, os, armes…) car fortement atténuants et amenant du contraste à l’image. Toutefois, il existe un large panel de matériaux d’intérêt peu atténuants (composites, fibres carbonées, tissus mous, explosifs…) donc difficiles à imager par les techniques classiques. Les rayons X, en plus de leur atténuation, subissent un déphasage qui est d’autant plus important que le matériau traversé est peu atténuant. La mesure de ce déphasage, notamment à travers l’ajout d’un réseau de diffraction sur le trajet du faisceau, permet de remonter à la géométrie de l’objet observé. L’imagerie associée à cette mesure est appelée imagerie de phase par interférométrie à décalage multi-latéral (IDML) et permet de restituer un fort contraste pour les matériaux peu denses. Par ailleurs, la mesure de phase n’est pas directe à la mesure et nécessite des algorithmes spécifiques d’extraction pouvant amener des erreurs d’estimation. Un premier volet de ma thèse a ainsi consisté à développer un outil de cartographie des erreurs de l’image de phase servant de retour direct de la qualité d’estimation de phase. D’autre part, mon travail a consisté à corriger ces erreurs d’estimation à travers le développement de deux méthodes traitement d’image. La première méthode s’applique aux erreurs liées au sous-échantillonnage du signal par l’IDML et son déploiement a été démontré expérimentalement pour des applications en contrôle non-destructif (CND). La deuxième méthode cherche à minimiser le bruit de mesure par l’exploitation de la redondance accessible par l’IDML. Avec l’appui d’un modèle de simulation que j’ai développé, de nouvelles géométries de réseau de diffraction ont été étudiées permettant de maximiser les performances de cette méthode.

X-ray imaging is widely used in non-destructive testing dedicated to industry, medical or security domain. Classically, its use is based on the measurement of X-ray attenuation, well suited for imaging dense materials (metals, bones, weapons,etc.) because they strongly attenuate the Xray beam and bring contrast to the image. However, there is a wide range of materials of interest, which are not very attenuating (composites, carbon fibers, soft tissues, explosives, etc.) and therefore difficult to image using conventional techniques. Furthermore, in addition to their attenuation, phase shifting happens, in particular for low-attenuating material. The measurement of the phase shift by a grating interferometer allows to estimate the geometry of the observed object. The imaging associated with this measurement is called phase imaging by Multi-Lateral Shearing Interferometer (MLSI) and allows to restore a strong contrast for sparse materials, where conventional imaging techniques is limited. Since the phase measurement is not direct to the measurement, it requires specific extraction algorithms that can lead to estimation errors also called extraction artifacts. A first goal of my thesis was to develop a tool for mapping these artefacts to the phase image that allows a direct feedback of the phase extraction quality. On the other hand, my work consisted in correcting these estimation errors by developing two image processing methods. The first method applies to aliasing errors induced by the sampling constraints of wave-fronts with abrupt transition by MLSI and has already been deployed for Non Destructive Testing (NDT) applications that I will present. The second method seeks to minimize the noise by exploiting the redundancy of the phase measurement and allowed me to improve, with the support of a simulation model I developed, new geometries of MLSI that maximizes signal-to-noise gains in phase images.