3.4 Traitement des images
3.4.2 Construction d’images à partir de mosaïques
La platine XY motorisée permet d’atteindre des champs de vue reconstruit de taille millimétrique en collectant une mosaïque d’images plein champ. La taille du champ de vue reconstruit est limitée par le débattement de la platine dans les directions x et y (de l’ordre de 100 mm dans les deux directions) et par le diamètre du porte échantillon accessible par l’objectif sans collision avec le porte échantillon (∼24 mm). Le balayage en x et y de la surface de l’échantillon est ainsi borné par les limites mécaniques du porte-échantillon et de la platine. La résolution de déplacement de la platine dans les directions x et y est ∼0,09 μm. La répétabilité RMS de la platine est inférieure à 0,7 μm. Cela représente l’erreur de répétabilité attendue lors de nombreux déplacements de la platine à la même position. Lors de l’acquisition d’images à l’objectif 100×, la taille des pixels projetés est 150 nm. Cette erreur de répétabilité de l’ordre de 700 nm peut ainsi visible lors de la reconstruction des mosaïques d’images et certaines mosaïques ont été reconstruites manuellement. La reconstruction des images est réalisée grâce au plugin Stitching développé dans ImageJ [Preibisch 2009]. Le plugin reconstruit la mosaïque par translations simples des tuiles. Les translations sont paramétrées par la dimension de la matrice de tuile XY, l’incrémentation des tuiles et la dimension du recouvrement des tuiles ∆x et ∆y. Le recouvrement des tuiles peut être défini avec une précision maximale de 1% pour la reconstruction en utilisant ce plugin (figure3.35). La mosaïque forme, après reconstruction, une image finale de champ de vue supérieur à une image plein champ et proportionnel au nombre de tuiles collectées. Pour les reconstructions des mosaïques du corpus, l’optimisation de la translation des tuiles par le calcul de cor-rélation de phase (calcul de la densité spectrale de puissance) du plugin n’est pas utilisée. En effet, le calcul de corrélation a pour objectif d’optimiser le positionne-ment de deux tuiles l’une par rapport à l’autre à partir des corrélations d’intensité entre les images. Pour des échantillons tels que les pigments de ZnO, l’intensité des
grains est similaire sur plusieurs zones de la tuile et le calcul de corrélation conduit à des ajustements erronés.
L’intensité des pixels des zones de recouvrement entre les tuiles est estimée à partir d’un lissage linéaire [linear blending ] des intensités des deux images. La valeur de l’intensité du pixel est estimée à partir d’une combinaison linéaire de l’intensité des deux images superposées. Les facteurs de la combinaison linéaire sont définis par un calcul barycentrique par rapport au centre des tuiles. L’intensité des pixels les plus proches du centre de la tuile ont un facteur de plus grand poids.
3.5 Conclusion
Les développements instrumentaux et méthodologiques que nous avons mis en place, ont permis d’optimiser la collecte d’images de photoluminescence :
— les images possèdent une dynamique spatiale supérieure à 3 ordres de gran-deurs grâce à l’acquisition de mosaïques de tuiles ayant un champ d’illumina-tion homogène ;
— les images possèdent une grande dynamique de sensibilité de détection de l’UVC jusqu’au proche IR grâce à l’utilisation de filtres interférentiels sélec-tionnés sur la base de leur performance ;
— les images sont intercomparables et indépendantes des spécificités de la chaîne de détection en les corrigeant par un facteur de correction radiométrique. Ces développements instrumentaux ont été réalisés sur la base des concepts relatifs aux matériaux anciens proposés au chapitre 2, section2.5.1. Nous avons ainsi homo-généisé optiquement le faisceau synchrotron afin d’améliorer la dynamique spatiale d’un ordre de grandeur au minimum. De plus, nous avons optimisé la chaîne de détection multi-spectrale dans le but de détecter les faibles contrastes de photolu-minescence.
La poursuite des développements instrumentaux permettant d’approfondir ce travail est programmée. Le premier développement porte sur l’extension de l’accor-dabilité spectrale en excitation. Dans le monochromateur, un miroir plan de dimen-sion équivalente aux réseaux de diffraction a été inséré. L’objectif est de pouvoir positionner une roue de filtres en sortie du monochromateur, pour élargir la largeur spectrale de l’excitation, lorsque le flux synchrotron est faible devant le rendement quantique du matériau. La photoluminescence est ainsi détectée pour un temps d’in-tégration réduit. Dans le cas de l’étude de semi-conducteurs, la monochromaticité à 0,1 nm n’est souvent pas indispensable, et diminuer la monochromaticité n’a pas d’influence sur les gammes spectrales d’émission détectées (par exemple, pour les pigments de ZnO). La finalisation de ce développement repose sur l’alignement du miroir avec les fentes du monochromateur, et sur l’installation et la programmation d’une nouvelle roue de filtres sur le trajet optique. L’élargissement de la gamme d’excitation sera utilisé pour les deux dispositifs de microscopie Télémos et Poly-phème.
Le microscope Télémos sera complété par un microscope développé en interne par F. Jamme (DISCO). En effet, les développements optiques du microscope Télémos (Zeiss), et particulièrement l’homogénéisation du faisceau, sont limités par la struc-ture mécanique figée du microscope : le cadre métallique du microscope empêche la visualisation du trajet du faisceau. Les modifications du trajet optique ne peuvent donc être réalisées qu’à partir de lentilles compatibles avec la structure mécanique du microscope (encombrement, emplacement), ce qui limite les possibilités de dévelop-pement. De plus, l’utilisation de lentilles dioptriques compatibles avec le microscope rend difficile l’obtention d’une transmission efficace de l’UVA au proche infrarouge, corrigée des aberrations chromatiques sur toute la gamme. Plutôt que l’utilisation de lentilles, des miroirs concaves pourraient facilement remplacer les lentilles dans le nouveau microscope, ce qui améliorera la gamme spectrale accessible en limitant les aberrations chromatiques. L’avantage considérable de travailler sans optique diop-trique est de s’abstraire des sources principales d’aberration chromatique sur toute la gamme spectrale. Dans un tel système, l’objectif de microscope peut être limitant. Un objectif réflectif (type Cassegrain) a une ouverture numérique limitée par rapport aux objectifs dioptriques (<0,6 pour un objectif Cassegrain commercial, inférieure aux ouvertures des Ultrafluar). Un système entièrement réflectif serait certes réalisé mais ce serait au détriment de la résolution spatiale. Avec la mise en place d’un nouveau microscope flexible, d’autres approches méthodologiques peuvent être dé-veloppées. Par exemple, l’ajout d’une illumination structurée permettrait de réaliser de la microscopie super-résolue avec un gain de facteur deux en terme de résolution spatiale (annexeC), tout en gardant le même procédé de préparation d’échantillons (pas de marquage, section polie) et le même dispositif d’imagerie. La mise en œuvre serait donc simple et rapide à élaborer.
Le microscope de microspectroscopie Polyphème a été peu développé. Cepen-dant, comme nous l’avons fait pour Télémos, les futurs développements de la sta-tion Polyphème pourraient résider dans la calibrasta-tion de la chaîne d’excitasta-tion et de détection. La calibration doit être conduite sur toute la gamme d’émission acces-sible, de l’UVC au proche infrarouge. Enfin, la localisation des zones d’intérêt sur des échantillons mésoscopiques hétérogènes devra être réalisée pour bénéficier de la synergie entre les données d’imagerie collectées sur Télémos, et les spectres collec-tés sur Polyphème. Le couplage des deux analyses permettra alors d’obtenir une information à haute résolution spatiale et spectrale sur une même zone d’analyse.
Réalisé et en cours de réalisation À mettre en place Homogénéisation optique
x
Optimisation de la chaîne de détectionx
Optimisation de la gamme spectrale d’excitationx
Calibration du microscope Polyphèmex
Développement d’un nouveau microscopex
Recherche de standardsx
TABLEAU 3.4 – Bilan des développements instrumentaux menés dans ce travail concernant la station Télémos de la ligne synchro-tron DISCO du synchrosynchro-tron SOLEIL.
Coupler haute résolution spatiale
et détection multi-spectrale :
pigments de blanc de zinc
Sommaire
4.1 Introduction . . . 121 4.2 Approche expérimentale . . . 122 4.3 Différenciation de blancs de zinc historiques . . . 124 4.3.1 Imagerie à l’échelle du grain individuel. . . . 124 4.3.2 Vers une définition de l’échelle d’hétérogénéité . . . . 129 4.3.3 Généralisation à d’autres pigments semi-conducteurs . . . . . 132 4.4 Identification de blanc de zinc dans un micro-prélèvement
de peinture . . . 136 4.5 Conclusion . . . 137
Dans ce chapitre, je détaillerai les mesures réalisées sur des pigments de blanc de zinc historiques à partir des développements et optimisations du dispositif de microscopie sur synchrotron que j’ai présentés dans le chapitre 3. Ces travaux ont débuté avant ma thèse. Dans l’introduction, je poserai la problématique d’étude de ces pigments, avant d’aborder le protocole d’analyse et la préparation d’échantillon. Je présenterai ensuite les résultats obtenus sur des pigments historiques et des pig-ments modernes en imagerie multi-spectrale plein champ couplée à de la spectrosco-pie. J’évaluerai la capacité du dispositif à imager les échantillons à l’échelle d’un grain unique. Les échantillons de pigments sont comparés et discriminés sur la base des propriétés de photoluminescence. Enfin je terminerai par une étude préliminaire d’échantillons réels de pigments, en contact avec un liant oléagineux dans un micro-prélèvement de peinture.
4.1 Introduction
L’analyse des matériaux composant une œuvre picturale répond à des question-nements variés :
— reconstituer la palette d’artiste (identification de la nature des pigments blancs de peintures de Picasso, musée Picasso, Antibes [Casadio 2013] ; caractérisa-tion de pigments et colorants de référence [Casini 2003]) ;
— collecter des informations sur les techniques picturales employées par les ar-tistes (caractérisation de la texture formée par les pinceaux [Arslanoglu 2013]) ; — caractériser les processus d’altération (identification de la présence de savons
métalliques [Casadio 2013,Ebert 2011]).
Deux approches principales peuvent être mises en œuvre : (i) caractérisations in situ, ou (ii) analyses à partir de micro-prélèvements. Les analyses utilisant la photolumi-nescence sont principalement menées à macro-échelle. L’imagerie multi-spectrale de photoluminescence à micro-échelle a été utilisée pour caractériser l’hétérogénéité de grains de pigment de blanc de zinc [Thoury 2011b] ou de lithopone [Bellei 2015]. Les pigments composant le corpus d’étude de ce travail ont été étudiés en photolumines-cence multi-spectrale sur la ligne synchrotron DISCO. Ces travaux font partie d’une étude débutée en 2011 à IPANEMA qui portait sur la caractérisation de l’hétérogé-néité de pigments d’artiste [Thoury 2011b,Bertrand 2013a]. Ces premiers résultats seront présentés dans la première partie de ce chapitre. Les travaux se sont poursui-vis dans le cadre de ma thèse sur des échantillons de pigments actuels de blanc de zinc et d’autres pigments de différentes natures.