Brevet FR2666170A1 — publié le 19920228

La présente invention concerne un imageur haute résolution à bas niveau de lumière. Un grand nombre de travaux en physique (nucléaire, astrophysique, biophysique) nécessitent de pouvoir localiser avec une grande précision des sources lumineuses très faibles au niveau du comptage de photons. Par exemple, de nombreux travaux réalisés en biologie moléculaire tirent leur information de l'étude de la localisation spatiale d'espèces chimiques (brins d'ADN ou d'ARN). Pour ce faire, la technique couramment utilisée consiste à marquer l'espèce étudiée à l'aide d'une sonde spécifique radioactive. L'expression d'un résultat expérimental se résume alors à une cartographie plus ou moins fine, quantitative ou non, de populations d'émetteurs ss . On a proposé depuis plusieurs années de recueillir l'image des sources lumineuses sur des dispositifs à transfert de charges (CCD). On a décrit par exemple dans le document Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 273 (1988) 748-753, "A high resolution ss - detector", Y CHARON et al, un système, schématiquement illustré sur la figure 1 annexée, particulièrement adapté à des expérimentations en biologie moléculaire et qui comprend - un porte-échantillon 10, - un scintillateur 20, mince (10cri) - un tube amplificateur de lumière 30 comportant essentiellement une photocathode 31, des électrodes de focalisation 32, . une galette 33 à microcanaux amplificatrice d'électrons par émission secondaire, et . un écran phosphore luminescent 34, - une caméra électronique 40 comprenant un dispositif à transfert de charges (CCD) 41, un module pilote 42, et . un module de mise en forme 43, - un ordinateur d'exploitation 50, - un générateur de déclenchement externe 60, et - une carte 70 d'interface entre le générateur 60, la caméra 40 et l'ordinateur 50. Le scintillateur 20 génère des photons quand il détecte un électron en provenance de l'échantillon ou d'une source équivalente. La lumière est amplifiée dans le tube 30 puis appliquée à la caméra électronique 40. Cette caméra 40 est pilotée en mode monocoup, et non pas en mode vidéo, par le module 42. Dans un mode de commande vidéo, les cycles-trames (chaque cycle étant composé d'une phase de remise à zéro du dispositif à transfert de charges, d'une phase d'intégration de l'image, puis d'une phase de lecture) se succèdent à cadence fixe. En revanche, dans un mode de commande monocoup, chaque cycle-trame est piloté indépendamment du cycle précédent. Plus précisément encore, selon le document précité, la caméra 40 est pilotée en mode monocoup répétitif par le générateur de déclenchement externe 60, c'est-à-dire que la caméra 40 est pilotée pour présenter des cycles d'intégration courts et répétitifs, par opposition à un mode monocoup simple consistant à intégrer l'image de la source lumineuse sur une période longue puis à lire uniquement en fin d'acquisition. Le pilotage de la caméra 40 est schématisé sur les figures 2, 3 et 4 annexées. La figure 2 représente la distribution temporelle d'une source lumineuse ou échantillon. La figure 3 représente la réponse correspondante d'un tube amplificateur de lumière 30. On notera la présente d'impulsions de bruit sur la figure 3. Enfin, sur la figure 4 on a superposé à la réponse du tube 30, d'une part les cycles du dispositif à transfert de charges 41 comprenant chacun une phase de remise à zéro du CCD, une phase d'intégration de l'image et une phase de lecture du CCD, d'autre part le signal déclencheur de ces cycles La technique de pilotage de la caméra 30 en mode monocoup répétitif permet de s'affranchir en partie du refroidissement important exigé dans un mode monocoup répétitif en raison de la contribution du bruit thermique du tube amplificateur de lumière et de la caméra, qui est proportionnel au temps d'intégration. Toutefois, le pilotage de la caméra 30 en mode monocoup répétitif ne donne pas totalement satisfaction. I1 présente en effet les inconvénients suivants - des évènements sont perdus durant le temps mort entraînant une perte d'efficacité. - la contribution du bruit thermique du tube amplificateur reste importante compte tenu de la durée d'intégration. - l'information quantitative d'éclairement du pixel n'est pas exploitable car l'évènement intervient aléatoirement dans la fenêtre d'intégration. On a tenté d'éliminer ces inconvénients en ne déclenchant le cycle d'intégration du dispositif à transfert de charges qu'en présence d'un évènement lumineux. Le système ainsi proposé est décrit dans le document "H.R.R.I. A high resolution B - imager for biological applications", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 292 (1990) 179-186, Y. CHARON et al. Ce système est par ailleurs schématisé sur la figure 5 annexee. On retrouve sur la figure 5 - le porte-échantillon 10, - le scintillateur 20, - le tube amplificateur de lumière 30, - la caméra électronique 40, - ltordinateur d'exploitation 50, et - la carte d'interface 70. Cependant, selon le système représenté sur la figure 5, le générateur de déclenchement externe 60, est remplacé par un photomultiplicateur 80, associé à une carte de mise en forme 81. Le photomultiplicateur 80 est disposé à l'opposé du scintillateur 20 par rapport au porte-échantillon 10. Ainsi, le photomultiplicateur récupère une partie des photons générés par le scintillateur 20, après que ceux-ci aient traversé l'échantillon et le porte-échantillon 10, pour générer une impulsion de déclenchement synchronisée sur l'apparition d'un évènement lumineux. Le temps d'intégration peut être ajusté à une valeur minimale uniquement fonction de la période de décroissance du phosphore du tube amplificateur de lumière 30 et de la durée de la phase de remise à zéro du dispositif à transfert de charges 41. Les cycles ainsi obtenus et les signaux déclencheurs correspondants sont schématisés sur la figure 6 annexée. L'examen comparé des figures 4 et 6 montre que le système à déclenchement synchronisé sur l'apparition d'un évènement lumineux, tel que représenté sur la figure 5, offre les avantages suivants - l'efficacité de détection est considérablement accrue. - la contribution de bruit thermique, qui intervient aléatoirement dans la fenêtre d'intégration est fortement réduite par la diminution du temps d'intégration. - l'intensité d'éclairement est fidèlement restituée, permettant ainsi les traitements de criblage et barycentrage. Toutefois, le système représenté sur la figure 5 ne donne pas non plus totalement satisfaction. Ce système est tout d'abord tributaire de l'épaisseur de l'échantillon utilisé. Si l'échantillon est trop épais, le photonmultiplicateur 80 reçoit peu ou pas de lumière. Par ailleurs, ce système est limité essentiellement au domaine des expérimentations en biologie moléculaire, mais ne peut par exemple être utilisé dans le domaine de l'astrophysique. La présente invention a pour but d'améliorer la situation en éliminant les inconvénients de la technique antérieure. Ce but est atteint selon la présente invention, grâce à un imageur haute résolution à bas niveau de lumière, du type comprenant - un tube amplificateur de lumière comportant une photocathode, au moins une galette à microcanaux servant d'amplificateur d'électrons, et un écran de phosphore luminescent muni d'une couche métallique, - une caméra électronique comprenant un réseau matriciel photosensible apte à transformer un photon reçu en électron, et - des moyens de commande de la caméra électronique, caractérisé par le fait que les moyens de commande comprennent un amplificateur sensible aux électrons collectés sur la couche métallique de l'écran phosphore luminescent pour piloter les cycles d'intégration du réseau matriciel photosensible en mode monocoup répétitif synchronisé sur l'apparition de photons à l'entrée du tube amplificateur de lurnière;; D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels - la figure 1 précédemment décrite, représente schématiquement un premier système antérieurement connu, - la figure 2 représente la distribution temporelle d'une source lumineuse, - la figure 3 représente la réponse correspondante collectée à la sortie d'un tube amplificateur de lumière, - la figure 4 représente les cycles et le signal déclencheur du système illustré sur la figure 1, - la figure 5 précédemment décrite, représente schématiquement un second système antérieurement connu, - la figure 6 représente les cycles et le signal déclencheur du système illustré sur la figure 5, et - la figure 7 représente schématiquement, sous forme de blocs fonctionnels, un imageur conforme à la présente invention. L'imageur conforme à la présente invention représenté sur la figure 7 annexée comprend un tube amplificateur de lumière 300, une caméra électronique 400, un circuit de commande 700 et un ordinateur 500. Le tube amplificateur de lumière 300 est de préférence du type à focalisation de proximité équipé d'une double galette à microcanaux donnant un gain élevé. Ce tube 300 comprend essentiellement comme représenté sur la figure 7 annexée : une photocathode 310, deux galettes 330. 331 à microcanaux servant d'amplificateur d'électrons, et un écran phosphore 340, formant anode. L'écran phosphore 340 comprend plus précisément une couche de phosphore 341, recouverte, côté galettes 330, 331, d'une mince couche métallique 342, généralement de l'aluminium. Ainsi, la gerbe d'électrons secondaires correspondant à l'amplification d'un photoélectron par les galettes 330, 331 est accélérée vers l'écran 340. Lorsque les électrons sont ralentis dans cet écran, il y a production de lumière par le milieu 341 excité, et les électrons sont collectés en quelques ns sur la face métallisée 342 de l'écran. Le gain électrons/électrons d'un tube 300 à double galettes 330, 331 est typiquement de l'ordre de 105. Comme indiqué précédemment selon une caractéristique essentielle de la présente invention, le circuit de commande 700 comprend un amplificateur 710 sensible aux électrons collectés sur la couche métallique de l'écran 340 pour piloter les cycles d'intégration de la caméra 400, par l'intermédiaire d'une porte 714. Cette porte 714 a pour fonction de transformer le signal analogique issu de l'amplificateur 710 en signal logique. La porte 714 procède essentiellement par intégration et comparaison avec un seuil. I1 peut s'agir par exemple de la porte linéaire intégratrice commercialisée par la Société SEPH. La porte 714 est placée entre la sortie de l'amplificateur 710 et l'entrée du module 420. Plus précisément, selon le mode de réalisation préférentiel représenté sur la figure 7, la couche métallique 342 de l'écran est reliée à la masse à travers une résistance R712 et la couche métallique 342 est reliée à une première entrée de l'amplificateur opérationnel 710, tandis que la seconde entrée de celui-ci est reliée à la masse. Le transit des charges à travers la résistance R712 sert ainsi à générer une différence de potentiel à l'entrée de l'amplificateur 710. Cette tension est amplifiée par l'amplificateur de tension 710. Ce dernier est du type à bas bruit et large bande passante. Le signal est alors intégré en charge puis soumis à un seuil en tension, dans la porte 714, dont la validation constitue le signal de déclenchement appliqué au module 420. La caméra électronique 400 utilisée dans le cadre de la présente invention comprend avantageusement un dispositif à transfert de charges (CCD) 410, un module pilote 420 et un module 430 de mise en forme des signaux captés sur le CCD, de façon similaire aux systèmes antérieurement connus, précédemment décrits en regard des figures 1 et 5. Le signal de déclenchement issu de la porte 714 est alors appliqué à l'entrée du module pilote 420, de sorte que chaque signal de déclenchement initie un cycle de remise à zéro ou "lavage" du CCD, d'intégration de l'image sur le CCD, puis de lecture de celui-ci par l'intermédiaire du module 430. Les signaux ainsi obtenus transitent ensuite par une carte d'interface 720 avant d'être dirigés vers l'ordinateur 500 ou ils sont traités de façon connue en soi, comme décrit dans les documents antérieurs précédemment décrits. On notera que l'écran de phosphore 340 doit présenter une période compatible avec la durée de remise à zéro du CCD 410. En effet, cet écran doit mémoriser l'image durant la remise à zéro du CCD qui précède chaque intégration. Pour obtenir une durée de remise à zéro très courte, par exemple de l'ordre de 1 cils, on peut utiliser un système anti-éblouissement de certains CCD conforme aux dispositions décrites dans le document "The UA2 scintillating fiber detector" R.E. Ansorge et al, Nuclear Instrument and Methods A 273 (1988) 748-753. Le temps d'intégration peut alors être réduit en proportion, grâce à l'emploi d'un écran de phosphore semi-rapide (quelques lys). Ce type de fonctionnement rend négligeable la contribution du bruit de fond thermique du détecteur. L'imageur conforme à la présente invention permet de réaliser une image d'une source lumineuse très faible (sensibilité au photoélectron unique) avec une résolution de l'ordre de 20 um. Rappelons qu'un dispositif à transfert de charges (CCD) est un réseau matriciel d'environ 104 cellules photosensibles de petites tailles (environ 20x20 um) aptes à transformer chacune un photon reçu en électron. Chaque cellule accumule durant la phase d'intégration, une quantité de charges proportionnelle à l'éclairement qu'elle reçoit. L'étape de lecture consiste à transférer séquentiellement le contenu de chaque cellule vers un dispositif d'imagerie (en l'espèce de préférence l'ordinateur 500, via la carte d'interface 720). Le cas échéant, dans le cadre de la présente invention, le dispositif à transfert de charges 410 peut être remplacé par un dispositif de type CID connu de l'homme de l'art dans lequel les charges accumulées dans chaque cellule sont lues directement sans transfert. Les inventeurs ont réalisé notamment des essais à l'aide d'un imageur comprenant un tube 300 amplificateur de lumière à focalisation de proximité équipé d'une double galette à microcanaux 330, 331 pour obtenir un gain électron/électron de l'ordre de 105 et d'un écran de phosphore rapide (P47), une caméra électronique 400 à CCD, un amplificateur de tension 710 bas bruit ( Ces essais ont révélé une efficacité de déclenchement de 90 % sur des évènements lumineux incidents d'amplitude minimale, correspondant à un photo-électron unique. Cette efficacité correspond au rapport entre le nombre de mono-photons électrons émis par la photocathode du tube 300 et le nombre de ceux réellement détectés par le système imageur. L'imageur précédemment décrit est conçu pour détecter des photons lumineux incidents. L'imageur peut cependant aisément être adapté pour détecter d'autres types de rayons incidents, tels que par exemple des rayons 6 ~ en plaçant un système convertisseur de ces rayons incidents en lumière, tel qu'un scintillateur 200, en amont du tube 300, comme représenté en traits interrompus sur la figure 7. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. Le cas échéant, on peut par exemple envisager d'utiliser un tube à galette à microcanaux unique. De même, on peut envisager d'utiliser un tube amplificateur de lumière à focalisation électrostatique comme représenté schématiquement sur les figures 1 et 5. REVENDICATIONS 1. Imageur haute résolution à bas niveau de lumière, du type comprenant - un tube amplificateur de lumière (300) comportant une photocathode (310), . au moins une galette (330, 331) à microcanaux servant d'amplificateur d'électrons, et . un écran de phosphore luminescent (340) muni d'une couche métallique (342), - une caméra électronique (400) comprenant un réseau matriciel photo sensible (410) apte à transformer un photon reçu en électron, et - des moyens (700) de commande de la caméra électronique (400), caractérisé par le fait que les moyens de commande (700) comprennent un amplificateur (710) sensible aux électrons collectés sur la couche métallique (342) de l'écran phosphore luminescent (340) pour piloter les cycles d'intégration du réseau matriciel photosensible (410) en mode monocoup répétitif synchronisé sur l'apparition de photons à l'entrée du tube amplificateur de lumière (300). 2. Imageur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le tube amplificateur de lumière (300) comprend deux galettes à microcanaux (330, 331). 3. Imageur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que le gain électron/électron du tube amplificateur de lumière (300) est de l'ordre de 105. 4. Imageur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le réseau matriciel photosensible (410) de la caméra électronique (400) est un dispositif à transfert de charges. 5. Imageur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la couche métallique (342) de l'écran de phosphore (340) est reliée à la masse par une résistance (R712) d'une part et reliée à l'entrée de l'amplificateur de commande (710) d'autre part. 6. Imageur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'une porte (714) de mise en forme logique est intercalée entre la sortie de l'amplificateur de commande (710) et la caméra électronique (400). 7. Imageur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'un système (200) apte à transformer un rayonnement incident en lumière est placé en amont du tube amplificateur de lumière (300). 8. Imageur selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'un scintillateur (200) est placé en amont du tube amplificateur de lumière (300). 9. Imageur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le tube amplificateur de lumière (300) est un tube à focalisation de proximité. 10. Imageur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le tube amplificateur de lumière (300) est un tube à focalisation électrostatique. 11. Imageur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que la couche métallique (342) du tube amplificateur de lumière (300) est à base d'aluminium. 12. Imageur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le réseau matriciel photosensible (410) est de type CID.