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

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.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

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

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

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

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.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

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

X-ray imaging is widely used in non-destructive testing dedicated to industry, medical or security domain. In aircraft production, the aerospace industry increasingly integrates carbon fibre reinforced polymers (CFRP), which may develop defects from operational wear, like lightning strikes. To robustly characterize density changes resulting from induced lightning damage in CFRP, multilateral shearing interferometry (MLSI) – a phase imaging technique – have been incorporated on a X-ray laboratory bench. Indeed, such method provides higher contrasts than X-ray attenuation imaging for composite materials and brings complementary information of the imaged sample. However, extracting the phase signal requires conditions of the imaging system and algorithmic strategies, which can lead to the emergence of artifacts in phase images. This thesis work involved the characterisation of these artifacts in the context of MLSI applied to X-ray phase imaging, as well as the development of tracking methods and corrective strategies

Confidence map tool for gradient based X-ray phase contrast imaging

International audienceWe present in this paper a graphical tool that we propose to call a confidence map, allowing to evaluate locally the quality of a phase image extracted from the measurement of its gradients. This tool is primarily used to alert the observer of the presence of artifacts that could affect his interpretation of the image. It can also be used to optimize a phase imager since it associates a cause to the creation of each artifact: noise, aliasing and dislocation. Illustration of this confidence map tool is proposed on a microfocus X-ray tube using multilateral shearing interferometry, a gradient based phase contrast technique employing a single 2D-grating

Detailed characterization of a CFRP lightning impacted specimen by complementary phase imaging techniques on synchrotron and in the laboratory

International audienceToday, we use more and more carbon fiber reinforced polymers (CFRP) in the aerospace industry. When they are damaged by lightning, defects can be formed in their structures. To understand these defects, an approach is to couple laboratory controlled induced lighting with non-destructive evaluation (NDE). Many NDE methods are used to study CFRP [1], among which X-ray imaging allows volume inspection with high spatial resolution. However, low attenuation carbon materials bring low contrast on the image. To improve it, the contribution of the phase signal of the X-ray wave front modified by the sample is considered in addition to the attenuation signal

Réduction des artefacts dans les images de phase à haute acutance pour l'interférométrie à réseau en rayons X

International audienceX-ray grating-based techniques often lead to artifacts in the phase retrieval process of phase objects presenting very fast spatial transitions or sudden jumps, especially in the field of non-destructive testing and evaluation. In this paper, we present a method that prevents the emergence of artifacts by building an interferogram corrected from any variations of the object intensity and given as input in the phase retrieval process. For illustration, this method is applied to a carbon fiber specimen imaged by a microfocus X-ray tube and a single 2D grating. A significant reduction of artifacts has been obtained, by a factor higher than 10. This evaluation has been performed experimentally thanks to the Confidence Map tool, a recently developed method that estimates the error distribution from the phase gradient information.Les méthodes à réseaux de diffraction en rayons X mènent souvent à des artefacts dans le processus d'extraction de phase d'objets à transitions spatiales abruptes ou présentant des sauts soudains, notamment dans le domaine des essais et évaluations non destructifs. Dans cet article, nous présentons une méthode qui prévient l'apparition d'artefacts en construisant un interférogramme corrigé de toute variation d'intensité de l'objet, donné en entrée du processus d'extraction de phase. À titre d'illustration, cette méthode est appliquée à un échantillon composé de fibres de carbone, imagé par un tube à rayons X microfocus et par un simple réseau 2D. Une réduction significative des artefacts a été obtenue, d'un facteur supérieur à 10. Cette évaluation a été réalisée expérimentalement grâce à l'outil Carte de Confiance, une méthode récemment développée qui estime la distribution des erreurs à partir des informations sur les gradients de phase

Extraire plus de deux dérivées orthogonales dans un analyseur de front d'onde Shack-Hartmann

International audienceThe purpose of this paper is to show that the Shack-Hartmann wavefront sensor (SHWFS) gives access to more derivatives than the two orthogonal derivatives classically extracted either by estimating the centroid or by taking into account the first two harmonics of the Fourier transform. The demonstration is based on a simple model of the SHWFS, taking into account the microlens array as a whole and linking the SHWFS to the multilateral shearing interferometry family. This allows for estimating the quality of these additional derivatives, paving the way to new reconstruction techniques involving more than two cross derivatives that should improve the signal-to-noise ratio.Le but de cet article est de montrer que l'analyseur de front d'onde Shack-Hartmann (SHWFS) permet d’accéder à plus de dérivées que les deux dites classiques (selon x et y), qui sont extraites soit par recherche des barycentres (centroiding), soit en utilisant les deux premières harmoniques de la transformée de Fourier de l'image de l'analyseur. La démonstration se base sur un modèle simple du SHWFS qui prend en compte un réseau de microlentilles en tant qu'un objet et lie par similarité le SHWFS au concept d'interférométrie à décalage multi-latéral. Cette liaison permet d'extraire des dérivées additionnelles, ce qui constitue une première étape vers l'élaboration de nouvelles techniques de reconstruction du front d'onde utilisant plus d'information que celle fournie par les deux dérivées classiques

Robust quantitative X-ray phase diagnostic for carbon composite characterisation in the context of lightning induced risk

International audienceGetting complementary physical information from a single image acquisition is particularly valuable for materials analysis. Grating based X-ray Phase Contrast Imaging (XPCI) methods allow decoupling attenuation, phase and scattering information. However, the phase and scattering extraction processes can easily suffer from artefacts, which is detrimental to implement this imaging technique in societal applications. In this paper, we demonstrate that grating based XPCI can provide a robust phase measurement in complex materials such as damaged composites. The technique allows the phase to be analysed using a self-assessment method that first identifies the artefacts from the imaging setup, and then can be used as an indicator to interpret the signal from a material. We focus on carbon fibre reinforced polymers which we subjected to laboratory-controlled lightning strikes. We evidence that the combined information from phase and attenuation allow identifying the type of defect induced by the lightning current. The phase information is converted into relative mass density variation within the sample and depicts areas with a loss in density up to 40%. We ensure that these results are valid by comparing them with an X-ray attenuation contrast tomographic reconstruction