Capteurs photométriques
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Capteurs photométriques A. Dieterlen Plan 1. 2. 3. 4. 5. 6. Place du capteur en microscopie Phénomènes fondamentaux Capteurs mono élément Capteurs matriciels Améliorations des performances Le choix ! 2 1. Introduction En microscopie on peut différencier les systèmes : – par leur mode d’illumination : • champ large, confocal, lumière structurée, multi objectif, ondes évanescentes… – et leur mode d’observation : • champ large, confocal, multi objectif, spectrale, temporelle, …. Sources et capteurs sont indissociables – Spectres d’émission – Quantité de photons à détecter – …. 3 1. Introduction Adéquation entre la source et le détecteur – Choix dicté par le spécimen, l’instrument et le prix ! Sources de lumières…. Détecteurs deux grandes familles : – Mono élément – Matriciel 4 1. Les capteurs optiques Déf.: Un capteur convertit l’information lumineuse en un signal électrique quantifiable. Transformation du flux photonique en flux d’électrons Notions fondamentales: – Nature ondulatoire et corpusculaire de la lumière – Grandeurs énergétiques – Interaction avec la matière 5 2. Aspect ondulatoire et corpusculaire Onde – Spectre (m) – Fréquence (Hz) – Vitesse de propagation v (m/s) v = c/n = v/ c = 3 108 m/s n indice de réfraction du milieu Photons – Energie élémentaire w w = h h = 6,6256 10-34 J.s Lorsque la longueur d’onde augmente l’énergie diminue 6 2. Grandeurs photométriques Photométrie énergétique – Emetteur • Energie rayonnante : Q en Joules • Flux : = dQ/dt en Watts • Intensité : I = d/d en W/Stéradians(sr) • Luminance : L = dI/dAn en W/m2sr (An aire projetée) – Récepteur • Eclairement : E = d /dA en W/m2 Photométrie visuelle – Grandeurs tenant compte de l’impression visuelle – Spectre visible de l’œil V(), max = 555nm – Pondération v() = 680.V().() en lumens 7 2. Grandeurs photométriques Exemples – Une lampe à filament de tungstène de 100W (consommation électrique) émet un flux énergétique de 90W, un flux photonique de 1021s-1 et un flux visuel de 1500lm. – Un laser NdYag de 500W (consommation électrique) émet à =1,06µm un flux énergétique de 2W, un flux photonique de 1019s-1 et un flux visuel nul… 8 2. Interaction lumière matière flux lumineux incident i Flux lumineux incident – Réfléchi – Absorbé – Transmis r milieu absorbant a e Dépend de la longueur d’onde et du matériaux Effet photoélectrique flux lumineux émergent – Energie de liaison des électrons liés aux atomes wl – Libération de charge si w wl donc wl / h Longueur d’onde de seuil s = h c / wl = 1,237 / wl en µm – Dans les semi-conducteurs types de charges libérées en interne 9 2. Types de capteurs optiques Caractéristique métrologiques – – – – – – – Réponse spectrale Rendement quantique Sensibilité [A/W] Courant d’obscurité min Dynamique max -min Linéarité Réponse temporelle Différents types de photodétecteur – Mono élément – Matriciels 10 3. Détecteur mono éléments Les photodiodes à avalanche (ADP) – Jonction PN création de paire e--trou – Polarisation en inverse – Tension de polarisation élevée inférieure à la tension de claquage – Energie des porteurs augmentée permettant l’ionisation par chocs des atomes. – Phénomène d’avalanche linéaire – Gain M contrôlé par la tension inverse 11 3. Capteurs photo émissifs Phénomène de photoémission – Extraction hors d’un matériaux (photocathode) d’électrons collectés par l’anode Le photomultiplicateur (PM) – – – – Photons incidents photocathode Electrons focalisés vers dynodes Libération d’électrons secondaires Collections de paquets d’électrons sur l’anode Gain G = n = 104 à 109 n nombre de dynodes facteur d’émission secondaire 12 3. Propriétés des capteurs mono élément Photomultiplicateur deux modes : – Analogique • Lorsque l’intervalle entre les photons est suffisamment court les impulsions se chevauchent créant un courant continu. – Comptage de photon • Les photon incidents sont séparés créant des impulsions que l’on peut dénombrer, elles seront proportionnelles à la quantité de lumière incidente (au rendement quantique près !). Il existe des PM appelés Channeltron – Capillaire en verre recouvert d’une couche émissive d’électrons. 13 3. PM versus ADP PM – Rapide et d’une grande sensibilité – Domaine spectral : 115nm jusqu’à 1,7µm – Rendement quantique faible du PM 40% ADP – Rendement quantique supérieur à 80% 14 4. Systèmes d’acquisition matriciel De l’appareil photographique film classique….. Aux systèmes à semi-conducteurs – – – – Le puits de potentiel MOS La caméra CCD La caméra CMOS Les caractéristiques 15 4. Du puits de mesure au transfert de charges La cellule CMOS – – – – Conversion d’énergie photons en électrons Efficacité quantique 60% à 90% Bande passante (0,4 à 1µm) Puits de potentiel collecte les électrons Le principe de transfert de charges – Association de plusieurs pixels – Succession des phases des tensions => déversement et transfert 16 4. Systèmes d’acquisition matriciel Principe de la matrice CCD 1. Conversion des photons incidents en paires électron trou 2. Séparation des paires électron trou 3. Intégration des charges en paquets de charges 4. Transfert des paquets de charges jusqu’au noeud de sortie 5. Conversion de paquets de charges en une quantité mesurable 17 4. Types de CCD 3 grands types de rétine – Transfert intégral de trame • Capteur est le moyen de transport • Facteur de remplissage 100% • Obturateur optique – Transfert de trame • Second jeu de lignes verticales • Transfert rapide vers la matrice aveugle • Taille de la matrice active divisée par 2 – Interligne • Lignes de transfert verticales • Baisse du facteur de remplissage • Souplesse d’utilisation (plusieurs résolutions possibles) 18 Caméra CCD 19 4. Cumul des charges Binning : regroupement des pixels 2, 3, 4 – Réalisé avant la numérisation – Regroupement lignes et colonnes – Modification de la résolution spatiale 20 4. CMOS: Complementary Métal-Oxyde Semi-conducteur Traitement décentralisé au niveau de chaque photosite – Pixel actif : capteur + amplificateur – Accès aléatoire à chaque pixel – Intégration de fonctions Caractéristiques – Intégration dans un seul boîtier – Capteurs intelligents – Faible facteur de remplissage – Faible rapport S/B 21 4. Caractéristiques spatiales Taille de la matrice Taille de l’image – Nombre et taille des pixels – S/B amélioré avec la taille du pixel 22 4. La résolution spatiale Résolution optique et taille du pixel – Résolution latérale r( x , y ) 0.61 NA – Critère d’échantillonnage de Shannon-Nyquist • Taille du pixel sera au minimum la moitié de la résolution multipliée par le grossissement de l’objectif Ex: objectif X100 NA=1.4 Si = 500nm r = 218nm donc 115nm…11,5µm ! • Le pas d’échantillonnage sera la taille du pixel divisée par le grossissement total (objectif + condenseur) Ex: Capteur pixel 6,4µm Objectif X100 NA=1,4 Objectif X60 NA=1,2 Objectif X40 NA=1,35 fluo observée à 600nm pas d’échantillonnage : 64nm résolution optique : 262nm pas d’échantillonnage : 107nm résolution optique : 305nm pas d’échantillonnage : 160nm résolution optique : 271nm 23 4. Caractéristiques des capteurs d’images 24 1.a. Numérisation Numérisation = Échantillonnage + Quantification 25 4. Numérisation : échantillonnage spatial Signal continu Signal échantillonné et quantifié (4 niveaux) 4. Numérisation : échantillonnage spatial 4. Caractéristiques (suite 1) Caractéristique de transfert et saturation – Fonction caractéristique de l’amplificateur – L’intégration temporelle est linéaire avec une limite supérieure appelée saturation – Dynamique du capteur sur 12 à 16 bits Traînage vertical (Smearing) et éblouissement (Blooming) 28 4. Caractéristiques (suite 2) Courant d’obscurité – Le courant parasite due à la génération des paires électron trou par excitation thermique – Se manifeste surtout pour de faibles illuminations et de longs temps d’intégration – Réduit par refroidissement – du bruit de photon et bruit de lecture Rendement quantique – QE fonction de la longueur d’onde – Illumination par face arrière • Pas d’électrodes • 90% 29 5. Amélioration des performances CCD à multiplication d’électrons : EMCCD – Gain sur le circuit de transfert – Registre de gain • Accélération • et impact d’ionisation – S/B augmenté – Rendement Quantique CCD bombardement d’électrons: EBCCD – Electrons accélérés – Facteur multiplicatif 100 30 5. Amélioration des performances CCD intensifiées : ICCD – Amélioration de la sensibilité – Intensificateur • Photocathode QE • Le Micro Channel Plate (MCP) constitué de canaux émetteurs d’électrons secondaires • Ecran de phosphore • Photons focalisé sur CCD 31 5. Nouvelle caméra CMOS http://www.biovis.com/ccd.htm http://www.roperscientific.de/encyclopedia.html http://image-sensors-world.blogspot.fr/2011/05/sonysecurity-sensors-to-shift-from-ccd.html 32 6. Choisir son détecteur Trois facteurs de choix: – Surface active – Rapport signal/bruit – Coût Caractéristiques importantes: – – – – Ils ne sont pas indépendant Longueur d’onde de la lumière Niveau de lumière Géométrie de la source de lumière à détecter Paramètres temporel de la lumière (durée, fréquence) Et le logiciel…. 33 Références Web: – Molecular Expressions™ http://micro.magnet.fsu.edu/ – Microscopy Resource Center http://www.olympusmicro.com/primer/ Biblio: – « Capteurs en instrumentation industrielle ». G. Asch – « Quantitative Microscopy », Ian T. Young, IEEE Eng. in Med. & Bio., 1996 – « Les photodétecteurs » J-D Ganière DP-IMO/EPFL – « Les détecteurs en imagerie » P. Legros PICIN – « Les capteurs CCD » D.Berquet 34
