Au fil de ce chapitre, nous avons exploré le développement de systèmes de dosimétrie à scintilla- tion volumétrique. Par le fait même, nous avons constaté comment l’approche tomographique ainsi que l’introduction d’un système d’imagerie plus ou moins commun, soit la caméra plé- noptique, ont marqué cette quête essentiellement académique vers la conception d’un système tomographique idéal. Toutefois, la problématique généralisée au coeur de cette évolution expé- rimentale n’est bien évidemment pas un défi confiné au domaine de la dosimétrie à scintillation. En effet, le besoin de systèmes capables de mesurer des distributions volumétriques d’émission lumineuse en est un central au domaine de l’étude des processus de combustion (de l’anglais, combustion diagnostics). Juste avant d’aborder la description du projet de recherche, nous
allons nous tourner vers ce domaine afin de profiter d’une perspective et expérience expéri- mentale externe à la dosimétrie, nous permettant ainsi de mieux apprécier l’étendue de la problématique qui anime cette thèse.
1.5.1 Les systèmes tomographiques à imageurs multiples
L’étude des processus de combustion est grandement motivée par l’industrie, s’appliquant à une panoplie de milieux, notamment les centrales électriques, le génie aérospatial et la mé- tallurgie ferreuse [131]. La recherche faite dans le domaine vise à mesurer la distribution de température de flammes afin d’obtenir l’information corrective nécessaire pour optimiser les processus de combustion ou même pour contrôler l’émission de polluants, comme le monoxide de carbone. Pour ces différentes applications, une grande variété de types de brûleurs sont uti- lisés. De plus, les différents mélanges de carburants contribuant à la combustion complexifient davantage les caractéristiques de flammes qui en résultent.
Le nerf de la guerre dans ce domaine est de développer une technique de mesure permettant de retrouver la forme complexe de la distribution de température de la flamme étudiée. Les travaux s’y attaquant traitent en partie des modèles radiatifs essentiels pour relier l’information d’une flamme imagée aux processus de chemiluminescence qui sont impliqués, justement pour retrouver cette information corrective par rapport à la combustion [119,132–134]. Par contre, ce qui nous intéresse dans ces travaux est plutôt la portion traitant des prototypes d’imagerie proposés et les modèles tomographiques employés, souvent référenciés sous le nom de Computed Tomography of Chemiluminescence (CTC).
La Figure 1.12 présente quelques prototypes qui ont été proposés dans la littérature. Mohri et collab. ont conçu un système combinant jusqu’à 24 caméras standards distribuées selon un arc partiel s’étendant sur 172.5° autour d’une flamme, tel que présenté à la Figure1.12A [135]. L’équipe s’est inspirée des travaux de Floyd et collab. en utilisant un tracé de rayons paraxial pour établir leur modèle mathématique d’ECT [132, 133]. Avec leur système, une résolution de 0.3 mm a été atteinte sur un domaine de reconstruction de 190 × 190 × 144 voxels cubiques au moyen d’un algorithme itératif ART. Tel que nous pouvons l’observer à la Figure 1.12A, l’amélioration de la qualité de la reconstruction est plus évidente en passant de Nq = 3 à Nq=8 que de Nq=8 à Nq =24, où Nq est le nombre de projections. Quantitativement, des valeurs de coefficient de corrélation 2D de l’ordre de 0.6, 0.8 et 0.9 ont été obtenues avec 3, 8 et 24 projections, respectivement. À titre de référence, le coefficient de corrélation est défini au Chapitre 3à l’équation3.5.
Afin de diminuer le nombre de caméras utilisées mais de maintenir multiples projections, Yu et collab. ont proposé deux systèmes. Le premier, présenté à la Figure 1.12B, combine et synchronise l’acquisition de projections d’une flamme par trois caméras dont les points de vue sont multipliés au moyen de miroirs et de prismes [136]. Utilisant le même formalisme
Figure 1.12 – Prototypes de systèmes tomographiques à imageurs multiples pour l’étude de processus de combustion proposés par (A) Mohri et collab. [135] ; (B) et (C) Yu et collab. [136,137].
tomographique que Mohri et collab., les reconstructions ont été faites sur un volume discrétisé en 120 × 120 × 120 voxels rectangulaires de 0.5 × 0.5 × 1 mm3. Le deuxième, se trouvant à la Figure 1.12C, utilisait la même technique tomographique mais l’obtention de multiples projections se faisait cette fois-ci via des conduits d’images à fibre optique [137]. Cependant, la résolution de la reconstruction était considérablement différente, cette fois utilisant 60×60×60 voxels cubiques de 6 mm.
Malgré qu’une quantité importante d’information puisse être acquise via des systèmes à ima- geurs multiples de ce genre, il demeure que ces systèmes sont complexes dans leur conception expérimentale ainsi que dans leur opération dû à la synchronisation et l’agencement des pro- jections. Pour cette raison, quelques équipes de recherche ont étudié l’utilisation de caméras plénoptiques dans le but de diminuer le nombre de projections nécessaires.
1.5.2 Les systèmes tomographiques avec caméras plénoptiques
Dans les dernières années, différents groupes cherchant à caractériser les processus de combus- tion se sont tournés vers l’imagerie plénoptique [131,138–143]. Cependant, Nien et collab. ainsi que Sun et collab., n’utilisant qu’une seule caméra plénoptique pour leurs reconstructions, ont noté la faible résolution spatiale le long de l’axe optique de la caméra. L’approche à une caméra ne s’avérait qu’utile dans le cas de flammes radialement symétriques, dont cette connaissance a priori de la géométrie pouvait être utilisée comme contrainte à la reconstruction. De plus, les géométries cylindriques utilisées dans leur modèle tomographique étaient discrétisées avec une résolution très grossière, notamment 4 × 4 × 6 voxels par Sun et collab., 1 × 7 × 7 voxels par Huang et collab. et 1 × 6 × 6 voxels par Niu et collab. [140,141,144].
Figure 1.13 – Prototypes de systèmes tomographiques avec caméras plénoptiques pour l’étude de processus de combustion proposés par (A) Qi et collab. [131] et (B) Liu et collab. [145].
Plus récemment, Liu et collab. suivis de Qi et collab. ont été les premiers à faire des reconstruc- tions avec multiples projections plénoptiques ; les prototypes expérimentaux sont présentés à la Figure1.13[131,145]. Qi et collab., utilisant un algorithme itératif de moindres carrés, ont reconstruit des distributions de température sur un volume de 20 × 20 × 15 voxels à partir d’acquisitions plénoptiques coplanaires à 90° l’une de l’autre. Tel que montré à la Figure1.13, les caméras plénoptiques étaient de type 2.0 mais modifiées pour éloigner davantage le senseur de la matrice de microlentilles. Liu et collab. ont utilisé des algorithmes ART et ML-EM dans le cadre de leur étude, reconstruisant un volume de 1.3×1.0×1.0 cm3discrétisé en 80×40×40 voxels. Les projections étaient obtenues avec un montage similaire à Yu et collab. ; les camé- ras plénoptiques étaient plutôt de type 1.0. Il est intéressant de noter qu’au lieu d’utiliser les images plénoptiques brutes pour la reconstruction, les différentes images de perspective obtenues à partir des micro-images de celles-ci ont servi de projections pour la reconstruction tomographique, tel que montré à la Figure 1.13B.
1.5.3 Les flammes et la dosimétrie à scintillation
Le parallèle entre ces deux domaines de recherche est très pertinent à faire dans le cadre de cette thèse. Malgré que la géométrie d’émission diffère, les flammes étant dans l’air et l’émission fluorescente dans un volume scintillant translucide, le problème tomographique de retrouver la distribution 3D de lumière émise est très semblable. Dans les deux cas, il y a d’ailleurs des contraintes expérimentales qui limitent le placement de caméras ou autres
composants optiques, comme la température de la flamme étudiée ou l’angle d’incidence du faisceau de radiation. Ce parallèle met donc la table pour définir la problématique commune de ces domaines, notamment celle de la conception des systèmes tomographiques à imageurs multiples utilisés pour mesurer des distributions 3D d’émission lumineuse.