EP4551930A1 - Imageur plénoptique pour rayons x à cristaux de diffraction - Google Patents

Imageur plénoptique pour rayons x à cristaux de diffraction

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Publication number
EP4551930A1
EP4551930A1 EP23744366.8A EP23744366A EP4551930A1 EP 4551930 A1 EP4551930 A1 EP 4551930A1 EP 23744366 A EP23744366 A EP 23744366A EP 4551930 A1 EP4551930 A1 EP 4551930A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
crystal
source
curved crystal
curved
curvature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP23744366.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Ombeline DE LA ROCHEFOUCAULD
Marta FAJARDO
Philippe ZEITOUN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Polytechnique
Imagine Optic SA
Ecole Nationale Superieure des Techniques Avancees Bretagne
Universidade de Lisboa
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Polytechnique
Imagine Optic SA
Ecole Nationale Superieure des Techniques Avancees Bretagne
Universidade de Lisboa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole Polytechnique, Imagine Optic SA, Ecole Nationale Superieure des Techniques Avancees Bretagne, Universidade de Lisboa filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4551930A1 publication Critical patent/EP4551930A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/56—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof provided with illuminating means
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/95—Computational photography systems, e.g. light-field imaging systems
    • H04N23/957—Light-field or plenoptic cameras or camera modules

Definitions

  • the present invention relates to a plenoptic imaging system for acquiring an image of an object. It finds a particularly interesting application in the field of biological imaging ranging from cells to small animals, but also in materials science.
  • the invention aims to improve so-called plenoptic or “lightfield” cameras.
  • plenoptic imaging consists of refocusing an image digitally from a single physical acquisition. This refocusing makes it possible to reconstruct a scene in three dimensions and if the object is transparent (which is the case when using X-rays) we can reconstruct the volume in three dimensions.
  • the plenoptic camera is composed of a lens or a set of lenses, for example a microscope objective, followed by a matrix of lenses then a pixelated detector.
  • This set creates numerous sub-images of the same scene or an object which, after digital processing, allows digital refocusing to the desired distance.
  • the present invention aims to design a plenoptic camera for use with X-rays. This makes it possible to visualize certain objects transparently and thus carry out 3D reconstructions.
  • the first problem concerns the lateral and longitudinal resolutions which vary in 1/NA and 1/NA2 respectively, with NA the numerical aperture of the optical system.
  • Optics for hard X-rays therefore for energies of photons greater than a few keV (which is equivalent to wavelengths less than 1 nm) currently have numerical apertures of 10' 4 typically.
  • the lateral resolution is equivalent to approximately 10,000 times the wavelength (i.e. 100 nm at 1 keV), which is very poor compared to visible optics which easily reach an NA of 1 and even slightly greater than 1 with submerged microscopes.
  • the most efficient commercial visible microscopes have spatial resolutions well below 100 nm. As it stands, there is no point in switching to the X, which are technically much more complex to manage than the visible.
  • the first problem is linked to the aspect ratio between the lateral and longitudinal resolutions which varies in 1/NA and then produces voxels having an anamorphosis of 10,000. This anamorphosis prevents reconstruction in three dimensions. In such a case, performing plenoptics under X-rays is no longer of interest.
  • the second problem prevents the use of the X-ray plenoptic with table sources which emit polychromatic radiation and therefore produce blurred images.
  • the present invention aims to provide a new plenoptic imaging system under X-rays allowing the production of high-quality three-dimensional reconstructions.
  • Another aim of the invention is a new high-resolution plenoptic camera.
  • At least one of the objectives is achieved with a plenoptic imaging system for acquiring an image of an object, this system comprising:
  • the main optical device comprises at least one curved crystal.
  • photodetector network we mean for example any detector capable of capturing in a spatially distinct manner the X-ray beams coming from the matrix of lenses or holes. Such a detector is for example a CCD sensor.
  • the present invention makes it possible to produce an X-ray camera capable of producing 3D views using the plenoptic technique.
  • the optical system for X-rays according to the invention proposes a main optical device equipped with a numerical aperture greater than the systems of the prior art. Compared to X-ray systems using Fresnel lenses for example, the system according to the invention makes it possible to achieve a numerical aperture of around 0.3, which improves the lateral resolution by a factor of 3000 and a factor of 9 million the longitudinal resolution. Furthermore, the anamorphosis of the voxels is only a factor of 3, which is easily compensable numerically. These characteristics allow the production of true 3D reconstructions from a single acquisition.
  • the ratio between the longitudinal resolution and the lateral resolution varies in 1/NA, with NA the numerical aperture.
  • the X-ray source and the curved crystal are determined so that the ratio 1/NA is less than 10, therefore NA greater than 0.1
  • a useful surface surface of the curved crystal capable of reflecting the incident X-ray beam of the curved crystal large enough to ensure a high NA greater than 0.1.
  • the X-ray beam reflected by the curved crystal forms an image of the object beyond the image focal plane of the curved crystal; the matrix of lenses or holes being placed beyond this image focal plane.
  • the source, the curved crystal and the orientation of the curved crystal can be determined so that the X-ray beam is reflected according to the diffraction law known as the law. from Bragg:
  • the source can be positioned on a first virtual circle, known as the Rowland circle, with a radius R equal to half the radius of a second virtual circle in which a crystal plane of the curved crystal.
  • the two virtual circles are concentric, the Rowland circle being adjacent to the central point of the curvature produced on the curved crystal.
  • the surface of the curved crystal can be polished according to a curvature identical to the curvature of a crystal plane of the curved crystal according to a geometry called Johann geometry.
  • the polishing carried out on the useful surface of the curved crystal makes it possible to obtain a surface said to be parallel to the crystallographic planes of the curved crystal. This achievement makes it possible to improve the numerical aperture, but on only part of the surface presented by the curved crystal.
  • the surface of the curved crystal can be polished according to a curvature identical to the curvature of the Rowland circle according to a geometry called Johansson geometry.
  • the polishing carried out on the useful surface of the curved crystal makes it possible to obtain a surface which crosses crystallographic planes of the curved crystal. Such an achievement ensures a good numerical aperture over almost the entire polished surface presented by the curved crystal.
  • the source is ideally positioned on the Rowland circle but we can consider positioning it inside or outside the circle.
  • the matrix of lenses or holes can be a one-dimensional matrix and each photodetector is a one-dimensional photodetector.
  • the matrix of lenses or holes can be a two-dimensional matrix and each photodetector is a two-dimensional photodetector.
  • the curved crystal can be of the toric type.
  • the toroidal crystal has two advantages: a large effective diffraction surface, leading to a high numerical aperture and good collection of the beam flux, beneficial for the quality of the image.
  • the curved crystal can be of cylindrical or spherical type.
  • the curved crystal can be a single crystal with a single radius of curvature.
  • the curved crystal can be a single crystal with double perpendicular radii of curvature.
  • the main optical device can comprise two crystals, each having a single radius of curvature, the two radii of curvature being perpendicular.
  • the source can be a monochromatic source.
  • Any type of X-ray monochromator can be used, such as for example a crystal or diffraction grating monochromator.
  • the reflectivity of the curved crystal can be very high, several tens of percent compared to a polychromatic source.
  • the monochromatic source can be a source point obtained from a polychromatic source illuminating a second curved crystal whose image focal plane constitutes said source point.
  • Such an arrangement makes it possible to use a second curved crystal to make the incident X-ray radiation monochrome.
  • This second curved crystal may have identical or possibly different parameters from the first curved crystal.
  • This second curved crystal is placed between the source and the object. This solution ensures that the X-rays passing through the object are reflected with very good efficiency by the curved crystal, strongly limiting the absorbed dose.
  • a new plenoptic camera comprising the system as described above and a processing unit for the digital reconstruction of images at different depths of field.
  • FIG. 1 is a schematic view of the system according to the invention.
  • FIG. 2 Figure 2 is a schematic top view of the system according to the invention illustrating the path of the X-radiation according to Johann geometry
  • Figure 3 Figure 3 is a schematic view illustrating Johann's geometry
  • Figure 4 is a schematic top view of the system according to the invention illustrating the path of the X radiation according to Johansson geometry
  • Figure 5 is a schematic view illustrating Johansson geometry
  • Figure 6 is a schematic view of a monochromator based on a curved crystal in the system according to the invention.
  • Figure 1 we can see a source 1 capable of emitting a beam of rats X towards an object 2 to be imaged.
  • the X-ray beam is then reflected by a curved crystal 3 suitably designed and positioned in alignment with the source 1 and the object 2.
  • the reflected X-ray beam then reaches a lens matrix then a detector 5. It This is a plenoptic system in which the main lens has advantageously been replaced by a curved crystal having a high numerical aperture.
  • an intermediate image 6 is simply illustrated for information purposes. It represents the image of the object, this image being contained in the reflected X-ray beam.
  • a single acquisition thus makes it possible to obtain several spatially separated flows at the detector.
  • Digital processing then makes it possible to carry out three-dimensional reconstructions in a conventional manner.
  • the X-ray source is a source at, for example, 11 keV.
  • the invention can be applied to any type of X-rays.
  • we speak of X-rays as soon as the optical index of the material is less than 1. Typically, this corresponds to around 20-30 eV.
  • the curved crystal 3 has a surface 3 A which has been polished and positioned to serve as a useful surface, that is to say the surface which receives and reflects the X-ray beam.
  • the curved crystal geometry can be divided into two main aspects: the curvature of the internal planes of the crystal lattice and the curvature of the 3 A effective surface. Both can affect the imaging quality of the crystal, such as aberration, image fluence and numerical aperture . Adjusting the curvature of the planes of the internal crystal lattice optimizes the focusing performance of the crystal. Polishing in a toric curve has been found to achieve excellent results.
  • a crystal reflects X-rays by diffraction on crystal planes which behave like a network.
  • the diffraction law is the so-called Bragg law:
  • each wavelength corresponds to a diffraction angle. Outside of this angle the crystal does not reflect X-rays of this wavelength.
  • the crystals are not perfect: the reticular planes are not all spaced at the same distance, creating an angular widening for which a crystal will reflect monochromatic radiation.
  • This angular band is commonly called the oscillation curve or “rocking curve” in English, and obviously depends on each crystal.
  • the “rocking curve” has a width at half height of 0.00383° or 6.5xl0' 5 rad. This is a very low numerical aperture.
  • the curved crystal behaves like a curved mirror for X-rays.
  • the curved crystals according to the invention are advantageously concave curved.
  • a curved crystal has a “focus circle” in the horizontal plane tangent to its central point.
  • the radius of this circle is equal to half the radius of curvature of the crystal (radius of curvature of the crystal planes).
  • This circle is called Rowland's circle and was defined for a concave lattice in visible light. If a point source is on the Rowland circle of a concave curved crystal, it will be focused at another point on that circle.
  • the Rowland circle 7 is tangent to the center of the curved crystal 3.
  • the source 1 is positioned on this circle.
  • the object to be imaged is located between the source and the curved crystal, inside the Rowland circle 7.
  • the intermediate image 6 is located outside the Rowland circle in the optical axis of the reflected X-ray beam.
  • Figure 2 is a very schematic geometric representation in top view of the system according to the invention.
  • Source A illuminating an object C to be imaged.
  • Source A can be real or a source point created by a real, remote source and whose image is relayed to this point.
  • the beam of X-rays coming from A and passing through C reaches an area of the curved crystal B.
  • the reflected beam is directed towards a matrix of lenses E before reaching the detector F.
  • the angle between the straight lines B1-B0-B2 and A-Bo satisfies the Bragg condition, Bo being the central bridge of the curved surface of the curved crystal.
  • the curved crystal B has a polished surface in accordance with the so-called Johann geometry, that is to say the polishing is parallel to a crystal plane inside the curved crystal.
  • a Rowland G circle is represented. This circle has a radius equal to the half the radius of curvature of the polished surface of the curved crystal. With such a circle, the source point A placed on the circle has its focal point A' also placed on the same Rowland circle.
  • Figure 3 illustrates the principle of Johann geometry. The rays from the crystal surface and the crystal plane P are the same, so only rays reaching an area near the center of the crystal satisfy the Bragg condition.
  • Figure 4 is also a very schematic geometric representation in top view of the system according to the invention. The principle and elements are identical to those in Figure 2 except the curved crystal is different.
  • the X-ray beam coming from A and passing through C reaches the entire surface of the curved crystal B.
  • the reflected beam is directed towards the lens matrix E before reaching the detector F.
  • the curved crystal B has a polished surface in accordance with the so-called Johansson geometry, that is to say the polishing presents a curve identical to the curvature of the Rowland G circle.
  • Figure 5 illustrates the principle of Johansson geometry.
  • the radius of the inner surface of the crystal is equal to half the radius of its crystal plane P. Due to the theorem of the inscribed angle of a circle, such geometry allows the rays of the source to arrive over the entire surface of the crystal at the Bragg angle.
  • the source can advantageously be positioned on the Rowland circle.
  • Figure 6 shows the geometry of a two-crystal plenoptic camera making it possible to very significantly reduce the dose received by the sample/animal/person.
  • Figure 2 shows the elements of Figure 2 with a crystal B polished according to Johann geometry. But one or both crystals can be polished according to Johann or Johansson geometry.
  • the source A is a source point formed from a real, remote source A’.
  • This real source A' is polychromatic and illuminates a second curved crystal B' so that the beam reflected by this second crystal is monochromatic.
  • the focusing point of the beam reflected by the second crystal B’ is the source point A.
  • plenoptic X-ray imaging potentially affects all the fields normally covered by X-ray tomography, ranging from medical to biology, materials science, metallurgy, mechanics, plasma physics, agri-food, cultural heritage etc.

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Abstract

L'invention concerne un système d'imagerie plénoptique pour l'acquisition d'une image d'un objet, ce système comprenant : - une source pour générer un faisceau de rayons X en direction de l'objet, - un dispositif optique principal pour recevoir et réfléchir le faisceau provenant de l'objet, - une matrice de lentilles ou de trous, - un réseau de photodétecteurs, chacun recevant un faisceau de rayons X provenant d'une lentille ou d'un trou. Selon l'invention, le dispositif optique principal comprend au moins un cristal courbe.

Description

Titre de l’invention : Imageur plénoptique pour rayons X à cristaux de diffraction
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne un système d’imagerie plénoptique pour l’acquisition d’une image d’un objet. Elle trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine de l’imagerie biologique allant de la cellule aux petits animaux, mais également dans la science des matériaux.
[0002] L’invention vise une amélioration des caméras dite plénoptique ou «lightfield» en anglais.
Etat de la technique antérieure
[0003] D’une façon générale, l’imagerie plénoptique consiste à refocaliser une image numériquement à partir d’une seule acquisition physique. Cette refocalisation permet de reconstruire une scène en trois dimensions et si l’objet est transparent (ce qui est le cas lors de l’utilisation de rayons X) on peut reconstruire le volume en trois dimensions.
[0004] Dans le visible, la caméra plénoptique est composée d’une lentille ou d’un ensemble de lentilles, par exemple un objectif de microscope, suivi d’une matrice de lentilles puis d’un détecteur pixélisé. Cet ensemble crée de nombreuses sous-images d’une même scène ou d’un objet qui après traitement numérique permet de refocaliser numériquement à la distance voulue.
[0005] On connait le document T. Georgiev and C. Intwala, “Light field camera design for integral view photography,” Adobe System, Inc, Tech. Rep., 2003. Ce document décrit le principe d’une caméra plénoptique dans le visible.
[0006] La présente invention vise la conception d’une caméra plénoptique pour une utilisation avec des rayons X. Cela permet de visualiser certains objets en transparence et ainsi réaliser des reconstructions 3D.
[0007] On connaît le document E. Longo et AL., « Flexible Plenoptic X-ray Microscopy » Photonics, February 2022. Ce document décrit le principe d’une caméra plénoptique à base de rayons X. Cependant, les lentilles utilisées ne permettent pas de réaliser des reconstructions 3D. Les lentilles pour rayons X, telles que des lentilles de Fresnel (« Fresnel Zone plate » en anglais) ou des lentilles ré- fractives ont deux problèmes intrinsèques : la très faible ouverture numérique et un très fort chromatisme.
[0008] Le premier problème concerne les résolutions latérale et longitudinale qui varient en 1/NA et 1/NA2 respectivement, avec NA l’ouverture numérique du système optique. Les optiques pour rayons X dur (donc pour des énergies de photons supérieures à quelques keV ce qui équivaut à des longueurs d’onde inférieures à 1 nm) ont actuellement des ouvertures numériques de 10'4 typiquement. Donc la résolution latérale équivaut à environ 10 000 fois la longueur d’onde (soit 100 nm à 1 keV), ce qui est très mauvais comparé aux optiques visibles qui atteignent aisément un NA de 1 et même légèrement supérieur à 1 avec les microscopes immergés. Il faut noter ici que les microscopes visibles commerciaux les plus performants ont des résolutions spatiales très inférieures à 100 nm. Dans l’état, il n’y a aucun intérêt de passer dans les X, qui sont techniquement beaucoup plus complexes à gérer que le visible.
[0009] Le premier problème est lié au rapport d’aspect entre les résolutions latérales et longitudinales qui varie en 1/NA et produit alors des voxels ayant une anamorphose de 10 000. Cette anamorphose empêche une reconstruction en trois dimensions. Dans un tel cas, réaliser du plénoptique sous rayons X n’a plus d’intérêt.
[0010] Le deuxième problème empêche l’utilisation du plénoptique sous rayons X avec des sources de table qui émettent un rayonnement polychromatique et donc produisent des images floues.
[0011] La présente invention a pour but un nouveau système d’imagerie plénoptique sous rayons X permettant la réalisation de reconstructions tridimensionnelles de grande qualité.
[0012] Un autre but de l’invention est une nouvelle caméra plénoptique haute résolution.
Exposé de l’invention
[0013] On atteint au moins l’un des objectifs avec un système d’imagerie plénoptique pour l’acquisition d’une image d’un objet, ce système comprenant :
- une source pour générer un faisceau de rayons X en direction de l’objet,
- un dispositif optique principal pour recevoir et réfléchir le faisceau provenant de l’objet,
- une matrice de lentilles ou de trous,
- un réseau de photodétecteurs, chacun recevant un faisceau de rayons X provenant d’une lentille ou d’un trou.
[0014] Selon l’invention, le dispositif optique principal comprend au moins un cristal courbe.
[0015] Par réseau de photodétecteurs on entend par exemple tout détecteur capable de capter de manière spatialement distinct les faisceaux de rayons X issus de la matrice de lentilles ou de trous. Un tel détecteur est par exemple un capteur CCD. [0016] La présente invention permet de réaliser une caméra X capable de réaliser des vues en 3D par la technique plénoptique. En effet, le système optique pour rayons X selon l’invention propose un dispositif optique principal doté d’une ouverture numérique supérieure aux systèmes de l’art antérieur. Par rapport à de systèmes pour rayons X utilisant des lentilles de Fresnel par exemple, le système selon l’invention permet d’atteindre une ouverture numérique de l’ordre de 0.3, ce qui améliore d’un facteur 3000 la résolution latérale et d’un facteur 9 million la résolution longitudinale. De plus, l’anamorphose des voxels n’est plus que d’un facteur 3 ce qui est aisément compensable numériquement. Ces caractéristiques permettent la réalisation de véritables reconstructions en 3D à partir d’une seule acquisition.
[0017] Le rapport entre la résolution longitudinale et la résolution latérale varie en 1/NA, avec NA l'ouverture numérique.
[0018] Idéalement, avec le système selon l’invention, on peut idéalement se rapprocher d’une ouverture numérique égale à 1, notamment de façon à avoir des voxels cubiques.
[0019] De préférence, la source de rayons X et le cristal courbe sont déterminés de façon à ce que le rapport 1/NA soit inférieur à 10, donc NA supérieur à 0.1
[0020] Par exemple, on peut définir une surface utile (surface du cristal courbe apte à réfléchir le faisceau de rayons X incident) du cristal courbe suffisamment grande pour assurer une forte NA supérieure à 0.1.
[0021] Le faisceau de rayons X réfléchi par le cristal courbe forme une image de l’objet au-delà du plan focal image du cristal courbe ; la matrice de lentilles ou de trous étant placée au-delà de ce plan focal image.
[0022] Selon un mode de mise en œuvre de l’invention, la source, le cristal courbe et l’orientation du cristal courbe peuvent être déterminés de façon à ce que le faisceau de rayons X soit réfléchi selon la loi de diffraction dite loi de Bragg :
[0023 ] 2d sin( 9) =n. A
[0024] où 0 est l’angle de diffraction, X la longueur d’onde des rayons X et « » le pas réticulaire donc la distance entre deux plans cristallins du cristal courbe.
[0025] Le respect de cette loi permet d’assurer une meilleure réflectivité du cristal courbe.
[0026] Selon un mode de réalisation préféré, la source peut être positionnée sur un premier cercle virtuel, connu sous le nom de cercle de Rowland, de rayon R égal à la moitié du rayon d’un second cercle virtuel dans lequel s’inscrit un plan cristallin du cristal courbe.
[0027] Les deux cercles virtuels sont concentriques, le cercle de Rowland étant adjacente au point centrale de la courbure réalisée sur le cristal courbe.
[0028] Avec un tel cercle, lorsque la source est positionnée sur le cercle, le point focal image du cristal courbe se situe également sur le même cercle.
[0029] En complément notamment de tout ce qui précède, la surface du cristal courbe peut être polie selon une courbure identique à la courbure d’un plan cristallin du cristal courbe selon une géométrie dite géométrie Johann.
[0030] Dans ce cas, le polissage réalisé sur la surface utile du cristal courbe permet d’obtenir une surface dite parallèle aux plans cristallographiques du cristal courbe. Cette réalisation permet d’améliorer l’ouverture numérique, mais sur une partie seulement de la surface présentée par le cristal courbe.
[0031] Selon un mode de réalisation, la surface du cristal courbe peut être polie selon une courbure identique à la courbure du cercle de Rowland selon une géométrie dite géométrie Johansson.
[0032] Dans ce cas, le polissage réalisé sur la surface utile du cristal courbe permet d’obtenir une surface qui traverse des plans cristallographiques du cristal courbe. Une telle réalisation permet d’assurer une bonne ouverture numérique sur la quasi-totalité de la surface polie présentée par le cristal courbe.
[0033] Dans la géométrie de Johan ou dans celle de Johansson, la source est idéalement positionnée sur le cercle de Rowland mais on peut envisager de la positionner à l’intérieur ou à l’extérieur du cercle.
[0034] Selon un mode de réalisation de l’invention, la matrice de lentilles ou de trous peut être une matrice à une dimension et chaque photodétecteur est un photodétecteur à une dimension.
[0035] Dans un tel cas, on peut envisager la réalisation d’une image dans une direction et la réalisation d’un spectre dans l’autre direction.
[0036] Autrement, la matrice de lentilles ou de trous peut être une matrice à deux dimensions et chaque photodétecteur est un photodétecteur à deux dimensions.
[0037] Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, le cristal courbe peut être de type torique.
[0038] Dans le système selon l’invention, le cristal toroidal présente deux avantages : une grande surface de diffraction effective, conduisant à une ouverture numérique élevée et une bonne collecte du flux de faisceau, bénéfique pour la qualité de l'image.
[0039] Selon un mode de réalisation de l’invention, le cristal courbe peut être de type cylindrique ou sphérique.
[0040] Selon un mode de réalisation de l’invention, le cristal courbe peut être un cristal unique à un seul rayon de courbure.
[0041] Selon un mode de réalisation préféré, le cristal courbe peut être un cristal unique à double rayons de courbure perpendiculaires.
[0042] Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif optique principal peut comprendre deux cristaux, chacun présentant un seul rayon de courbure, les deux rayons de courbure étant perpendiculaire.
[0043] Lorsqu’on a qu’un seul rayon de courbure, la focalisation se fait que dans une direction. Dans un tel cas, on peut utiliser deux cristaux placés à environ 90° l’un de l’autre, assurant ainsi une focalisation dans les deux directions. Un exemple d’une telle réalisation est le montage dit de Kirkpatrick-Baez. Cette solution permet de notablement réduire les contraintes de réalisation des cristaux courbes.
[0044] On peut travailler avec un cristal courbe en 2D, quelle que soit la forme, ou avec deux cristaux courbes en 1D et montés ensemble ou avec un cristal courbe monté seul.
[0045] Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, la source peut être une source monochromatique.
[0046] Tout type de monochromateur X peut être utilisé, comme par exemple un mo- nochromateur à cristal ou à réseaux de diffraction.
[0047] Ainsi, avec un rayonnement monochromatique incident sur l'objet, la réflectivité du cristal courbe peut être très élevée, plusieurs dizaines de pourcents par rapport à une source polychromatique.
[0048]
[0049] Selon un mode de réalisation préféré, la source monochromatique peut être un point source obtenu à partir d’une source polychromatique illuminant un deuxième cristal courbe dont le plan focal image constitue ledit point source.
[0050] Un tel arrangement permet d’utiliser un deuxième cristal courbe pour rendre monochrome le rayonnement X incident. Ce deuxième cristal courbe peut avoir des paramètres identiques ou possiblement différents du premier cristal courbe. Ce deuxième cristal courbe est placé entre la source et l’objet. Cette solution assure que les rayons X traversant l’objet soient réfléchis avec une très bonne efficacité par le cristal courbe, limitant fortement la dose absorbée.
[0051] Ce qui est un avantage considérable face à l’actuelle tomographie X qui utilise des centaines ou des milliers de vues pour former l’image en trois dimensions, produisant une forte dose sur la personne, animal ou objet ainsi qu’un temps de pose long.
[0052] Selon un autre aspect de l’invention, il est proposé une nouvelle caméra plé- noptique comprenant le système tel que décrit ci-dessus et une unité de traitement pour la reconstruction numérique d’images à différentes profondeurs de champ.
Description des figures et modes de réalisation.
[0053] D’autres avantages et particularités de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
[0054] [Fig. 1] : La figure 1 est une vue schématique du système selon l’invention,
[0055] [Fig. 2] : La figure 2 est une vue de dessus schématique du système selon l’invention illustrant le parcours du rayonnement X selon la géométrie de Johann, [0056] [Fig. 3] : La figure 3 est une vue schématique illustrant la géométrie de Johann,
[0057] [Fig. 4] : La figure 4 est une vue de dessus schématique du système selon l’invention illustrant le parcours du rayonnement X selon la géométrie de Johansson,
[0058] [Fig. 5] : La figure 5 est une vue schématique illustrant la géométrie de Johansson, et
[0059] [Fig. 6] : La figure 6 est une vue schématique d’un monochromateur à base de cristal courbe dans le système selon l’invention.
[0060] Les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs; on pourra notamment mettre en œuvre des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur.
[0061] En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont prévus pour être combinés entre eux dans toutes les combinaisons où rien ne s’y oppose sur le plan technique.
[0062] Bien que l’invention n’y soit pas limitée, on va maintenant décrire un imageur plénoptique pour rayons X à base d’un cristal courbe présentant une surface torique.
[0063] Sur la figure 1 on distingue une source 1 apte à émettre un faisceau de ratons X en direction d’un objet 2 à imager. Le faisceau de rayons X est ensuite réfléchi par un cristal courbe 3 convenablement conçu et positionné dans l’alignement de la source 1 et de l’objet 2. Le faisceau de rayons X réfléchi atteint ensuite une matrice lentilles puis un détecteur 5. Il s’agit d’un système plénoptique dans lequel la lentille principale a été avantageusement remplacée par un cristal courbe présentant une ouverture numérique élevée.
[0064] Le faisceau traversant chaque lentille de la matrice 4 est recueilli sur une partie du détecteur 5.
[0065] Sur la figure 1, une image intermédiaire 6 est simplement illustrée à titre indicatif. Elle représente l’image de l’objet, cette image étant contenue dans le faisceau de rayons X réfléchi.
[0066] Une seule acquisition permet ainsi d’obtenir plusieurs flux séparés spatialement au niveau du détecteur. Des traitements numériques permettent ensuite de réaliser des reconstructions tridimensionnelles de façon conventionnelle.
[0067] La source de rayons X est une source à par exemple 11 keV. L’invention peut s’appliquer à tout type de rayons X. Notamment, on parle de rayons X dès que l'indice optique de la matière est inférieur à 1. Typiquement, cela correspond à environ 20-30 eV. Pour la partie haute, on peut considérer que les gammas commencent vers 1 MeV quand un photon peut créer une paire électron-positron.
[0068] Le cristal courbe 3 présente une surface 3 A qui a été polie et positionnée pour servir de surface utile, c’est-à-dire la surface qui reçoit et réfléchit le faisceau de rayons X. La géométrie cristalline courbe peut être divisée en deux aspects principaux : la courbure des plans internes du réseau cristallin et la courbure de la surface utile 3 A. Les deux peuvent affecter la qualité d'imagerie du cristal, comme l'aberration, la fluence d'image et l'ouverture numérique. L'ajustement de la courbure des plans du réseau cristallin interne permet d’optimiser les performances de focalisation du cristal. Il a été constaté que le polissage selon une courbe torique permettait d’obtenir d’excellents résultats.
[0069] De façon générale, un cristal réfléchi les rayons X par diffraction sur les plans cristallins qui se comportent comme un réseau. La loi de diffraction est la loi dite de Bragg :
[0070] 2dsin(6)=n.
[0071] où 0 est l’angle de diffraction, X la longueur d’onde des rayons X et «.d » le pas réticulaire donc la distance entre deux plans cristallins du cristal courbe. Donc à chaque longueur d’onde correspond un angle de diffraction. En dehors de cet angle le cristal ne réfléchit pas les rayons X de cette longueur d’onde.
[0072] En réalité, les cristaux ne sont pas parfaits : les plans réticulaires ne sont pas tous espacés de la même distance créant un élargissement angulaire pour lequel un cristal va réfléchir un rayonnement monochromatique. Cette bande angulaire est communément appelée la courbe d’oscillation ou « rocking curve » en anglais, et dépend bien évidemment de chaque cristal. Par exemple pour un cristal de germanium coupé selon les plans (220) la « rocking curve » présente une largeur à mi-hauteur de 0,00383° soit 6,5xl0'5 rad. Il s’agit d’une très faible ouverture numérique.
[0073]
[0074] En raison de la diffraction de Bragg, le cristal courbe se comporte comme un miroir courbe pour les rayons X.
[0075] Les cristaux courbes selon l’invention sont avantageusement incurvés concaves.
[0076] Un cristal courbe possède un "cercle de foyer" dans le plan horizontal tangent à son point central. Le rayon de ce cercle est égal à la moitié du rayon de courbure du cristal (rayon de courbure des plans cristallins). Ce cercle est appelé cercle de Rowland et a été défini pour un réseau concave en lumière visible. Si une source ponctuelle se trouve sur le cercle de Rowland d'un cristal incurvé concave, elle sera mise au point en un autre point situé sur ce cercle.
[0077] Sur la figure 1, le cercle de Rowland 7 est tangent au centre du cristal courbe 3. La source 1 est positionnée sur ce cercle. L’objet à imager est situé entre la source et le cristal courbe, à l’intérieur du cercle de Rowland 7. L’image intermédiaire 6 se situe en dehors du cercle de Rowland dans l’axe optique du faisceau de rayons X réfléchi.
[0078] Selon l’invention, en courbant le cristal et en plaçant la source sur un cercle équivalent à deux fois le rayon de courbure du cristal, les rayons qui arrivent sur la surface forment un angle qui reste dans la courbe d’oscillation (« rocking curve ») pour une zone du cristal.
[0079] La figure 2 est une représentation géométrique très schématique en vue de dessus du système selon l’invention.
[0080] On distingue une source A éclairant un objet C à imager. La source A peut être réelle ou un point source créé par une source réelle déportée et dont l’image est relayée sur ce point.
[0081] Le faisceau de rayons X provenant de A et passant par C atteint une zone du cristal courbe B. Le faisceau réfléchi est dirigé vers une matrice de lentilles E avant d’atteindre le détecteur F.
[0082] L’angle entre les droites B1-B0-B2 et A-Bo satisfait la condition de Bragg, Bo étant le pont central de la surface courbée du cristal courbe.
[0083] Le cristal courbe B présente une surface polie conformément à la géométrie dite de Johann, c’est dire le polissage est parallèle à un plan cristallin à l’intérieur du cristal courbe.
[0084] Un cercle de Rowland G est représenté. Ce cercle présente un rayon égale à la moitié du rayon de courbure de la surface polie du cristal courbe. Avec un tel cercle, le point source A placé sur le cercle a son point focal A’ également placé sur le même cercle de Rowland.
[0085] Le cristal étant courbé selon une seule dimension ou deux dimensions, une image intermédiaire D, une seule dimension ou deux dimensions, est formée en respectant la formule de conjugaison des lentilles minces: l/CBo+l/BoD=l/f avec f=RMsin(0)/2 pour le plan méridional et f=Rs/2sin(0) pour le plan sagittal, RM étant le rayon dans le plan méridional et Rs étant le rayon dans le plan sagittal. Si le cristal est courbé seulement en une seule dimension, alors on utilise uniquement la formule du plan méridional.
[0086] Les distances D-E et E-F respectent la formule des lentilles minces : l/DE+l/EF=l/f où ici f est la distance focale des lentilles placées dans le plan E. Dans le cas où on utilise une matrice de trous, il n’y a pas de conditions à remplir ici.
[0087] Sur la figure 3 est illustrée le principe de la géométrie de Johann. Les rayons de la surface du cristal et du plan cristallin P sont les mêmes, donc seuls les rayons atteignant une zone près du centre du cristal satisfont à la condition de Bragg.
[0088] Même si la divergence de la source est suffisamment grande pour illuminer tout le cristal, seul le rayon principal arrivant au centre du cristal satisfait la condition de Bragg et peut être intensément réfléchi. Bien que le cristal ait une certaine tolérance sur l'angle d'incidence en fonction de sa courbe d’oscillation (« rocking curve »), la largeur de la courbe d’oscillation est très étroite, 0,0029° pour un cristal presque parfait et 0,029° pour un cristal imparfait. Par conséquent, la zone de diffraction effective est très petite et l'efficacité de réflexion du cristal est assez faible.
[0089] Ceci peut être amélioré en polissant le cristal dans les plans cristallins P et non pas parallèlement à ceux-ci. C’est la géométrie de Johansson telle qu’utilisée sur la figure 4.
[0090] Sur la figure 4 est également une représentation géométrique très schématique en vue de dessus du système selon l’invention. Le principe et les éléments sont identique à ceux de la figure 2 sauf le cristal courbe est différent.
[0091] Le faisceau de rayons X provenant de A et passant par C atteint toute la surface du cristal courbe B. Le faisceau réfléchi est dirigé vers la matrice de lentilles E avant d’atteindre le détecteur F.
[0092] Le cristal courbe B présente une surface polie conformément à la géométrie dite de Johansson, c’est dire le polissage présente une courbe identique à la courbure du cercle de Rowland G.
[0093] Le cristal étant courbé selon une seule dimension ou deux dimensions, une image intermédiaire D, une seule dimension ou deux dimensions, est formée en respectant la formule de conjugaison des lentilles minces: l/CBo+l/BoD=l/f avec f=RMsin(0)/2 pour le plan méridional et f=Rs/2sin(0) pour le plan sagittal, RM étant le rayon dans le plan méridional et Rs étant le rayon dans le plan sagittal. Si le cristal est courbé seulement en une seule dimension, alors on utilise uniquement la formule du plan méridional.
[0094] Les distances D-E et E-F respectent la formule des lentilles minces : l/DE+l/EF=l/f où ici f est la distance focale des lentilles placées dans le plan E. Dans le cas où on utilise une matrice de trous, il n’y a pas de conditions à remplir ici.
[0095] Sur la figure 5 est illustrée le principe de la géométrie de Johansson. Le rayon de la surface interne du cristal est égal à la moitié du rayon de son plan cristallin P. En raison du théorème de l'angle inscrit d'un cercle, une telle géométrie permet aux rayons de la source d'arriver sur toute la surface du cristal à l'angle de Bragg.
[0096] Avec le système selon l’invention, la source peut avantageusement être positionnée sur le cercle de Rowland. Dans ce cas, l’ouverture numérique NA max peut être déterminé par : max(hauteur/2; largeur/2)/(di stance source-cristal). Dans un exemple de réalisation avec une surface utile de 2cm de hauteur et 4cm de largeur et une distance source-cristal de 13 cm, l’ouverture numérique max serait de 2/13=0,15.
[0097] Sur la figure 6 est représentée une géométrie d’une caméra plénoptique à deux cristaux permettant de diminuer très fortement la dose reçue par l’échantil- lon/animal/personne. On retrouve les éléments de la figure 2 avec un cristal B poli selon la géométrie de Johann. Mais l’un ou les deux cristaux peuvent être poli selon la géométrie de Johann ou de Johansson.
[0098] Sur la figure 6, la source A est un point source formé à partir d’une source réelle A’ déportée. Cette source réelle A’ est polychromatique et éclaire un deuxième cristal courbe B’ de sorte que le faisceau réfléchi par ce second cristal est monochromatique. Le point de focalisation du faisceau réfléchi par le second cristal B’ est le point source A.
[0099] Concernant le domaine d’application de l’invention, l’imagerie plénoptique à rayons X touche potentiellement tous les domaines normalement couverts par la tomographie à rayons X, allant du médical à la biologie, à la science des matériaux la métallurgie, la mécanique, la physique des plasmas, l’agroalimentaire, le patrimoine culturel etc
[0100] Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Système d’imagerie plénoptique pour l’acquisition d’une image d’un objet, ce système comprenant :
- une source pour générer un faisceau de rayons X en direction de l’objet,
- un dispositif optique principal comprenant au moins un cristal courbe pour recevoir et réfléchir le faisceau provenant de l’objet,
- une matrice de lentilles ou de trous,
- un réseau de photodétecteurs, chacun recevant un faisceau de rayons X provenant d’une lentille ou d’un trou, caractérisé en ce que la source est une source monochromatique.
[Revendication 2] Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source, le cristal courbe et l’orientation du cristal courbe sont déterminés de façon à ce que le faisceau de rayons X soit réfléchi selon la loi de diffraction dite loi de Bragg : 2d sin( 9) =n. Â où 0 est l’angle de diffraction, X la longueur d’onde des rayons X et «.d » le pas réticulaire donc la distance entre deux plans cristallins du cristal courbe.
[Revendication 3] Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source est positionnée sur un premier cercle virtuel, connu sous le nom de cercle de Rowland, de rayon R égal à la moitié du rayon d’un second cercle virtuel dans lequel s’inscrit un plan cristallin du cristal courbe.
[Revendication 4] Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface du cristal courbe est polie selon une courbure identique à la courbure d’un plan cristallin du cristal courbe selon une géométrie dite géométrie Johann.
[Revendication 5] Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la surface du cristal courbe est polie selon une courbure identique à la courbure du cercle de Rowland selon une géométrie dite géométrie Johansson.
[Revendication 6] Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice de lentilles ou de trous est une matrice à une dimension et chaque photodétecteur est un photodétecteur à une dimension.
[Revendication 7] Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la matrice de lentilles ou de trous est une matrice à deux dimensions et chaque photodétecteur est un photodétecteur à deux dimensions.
[Revendication 8] Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le cristal courbe est de type torique.
[Revendication 9] Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cristal courbe est de type cylindrique.
[Revendication 10] Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cristal courbe est de type sphérique.
[Revendication 11] Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cristal courbe est un cristal unique à un seul rayon de courbure.
[Revendication 12] Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cristal courbe est un cristal unique à double rayons de courbure perpendiculaires.
[Revendication 13] Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif optique principal comprend deux cristaux, chacun présentant un seul rayon de courbure, les deux rayons de courbure étant perpendiculaires.
[Revendication 14] Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source monochromatique est un point source obtenu à partir d’une source polychromatique illuminant un autre cristal courbe dont le plan focal image constitue ledit point source.
[Revendication 15] Caméra plénoptique comprenant le système selon l’une quelconque des revendications précédentes et une unité de traitement pour la reconstruction numérique d’images à différentes profondeurs de champ.
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