Acquisition de l’image par les photodiodes (CCD ou APS-CMOS)

1.6.5.1 Photodiodes

Après la conversion des photons X en photons visibles par le scintillateur, ces derniers sont

acheminés via les fibres optiques du taper vers le capteur électronique qui va réaliser l’image

numérique (Fig. 1.21). Celui-ci fonctionne par effet photoélectrique (Einstein, 1905): les photons visibles arrachent des électrons à chaque élément actif (photo site) d'une matrice de

capteurs élémentaires constitués de photodiodes. Le rapport entre le nombre de

charges électroniques collectées et le nombre de photonsvisibles incidents arrivant sur la surface photoréactive s’appelle l'efficacité quantique de détection DQE (Detective Quantum Efficiency) ; cette grandeur caractérise ces capteurs et traduit leur sensibilité électrique à la lumière. Cette efficacité varie de 40 à plus de 90% ; celle-ci dépend de la longueur d'onde du photon incident mais aussi des différentes techniques d’illumination des capteurs. Ils sont nettement plus efficaces que les pellicules photographiques argentiques ou l’œil humain qui ont des DQE d’à peine 10%.

Il faut ici être prudent et ne pas interpréter cette valeur de la DQE comme étant l’efficacité globale du détecteur en termes de détection des photons X. La DQE ne sert qu’à comparer entre eux les capteurs à photodiodes. Pour déterminer l’efficacité globale du détecteur, il faudrait tenir compte du scintillateur en amont et de l’électronique en aval des photodiodes et connaître la correspondance -intensités/nombre de photons X- pour un pixel.

Figure 1.21 : Capteur de type APS(CMOS) 100 × 100 mm² du détecteur PHOTON100

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1.6.5.2 Intégration dans les puits de potentiel

Pour les capteurs CCD comme pour les APS-CMOS, les électrons générés par les photodiodes sont piégés dans des puits de potentiel au niveau de chaque pixel comme illustré sur la figure 1.22. Quelques centaines d’électrons au maximum sont produits par photon absorbé par la photodiode.

Figure 1.22 : Puits de potentiel sous les pixels (détecteurs CCD). Source Microscopyu Nikon

La capacité de ces puits de potentiel (Full Well Capacity ou FWC) détermine la quantité maximale

d'électrons qui pourront y être accumulés sans saturation du pixel.

1.6.5.3 Effet de débordement ‘Blooming effect’

La charge générée dans le capteur par effet photoélectrique est accumulée dans des puits de potentiels. La capacité de ces puits n’est pas infinie (FWC) et s’ils viennent à être saturés, ils débordent, c'est à dire que les charges qui arrivent ensuite au niveau du pixel saturé vont aller dans les puits de potentiels voisins (parfois sur plusieurs dizaines voire centaines de pixels avant d’être entièrement réparties) dans les directions des gradients de potentiels. Cet effet présent sur tous les capteurs CCD est illustré par la figure 1.23 ; sur ce cliché d’astrophotographie, les étoiles les plus brillantes saturent les puits de potentiels du capteur et elles apparaissent entourées d’une croix

caractéristique de cet effet de blooming. Pour la cristallographie, cet effet est très néfaste, d’une

part parce que l’intensité mesurée n’est plus proportionnelle à l’intensité arrivant sur le pixel et d’autre part, parce que l’intensité des autres réflexions se trouvant sur la même colonne ou la même ligne de pixels pourra se trouver affectée fortement par cette saturation.

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Figure 1.23 : Phénomène de ‘blooming’, débordement d’intensité sur les pixels voisins, sur une image de l’amas stellaire des Pléiades prise avec une caméra à capteur CCD. Les étoiles les plus brillantes apparaissent non pas ponctuelles, mais sous forme de croix.

1.6.5.4 Bruit – courant d’obscurité dark current

Nous avons vu que, bien que l'information pertinente originelle soit strictement binaire (arrivée d'un photon sur le pixel : vrai/faux), ce type de capteur la détecte sous forme analogique intégrée (accumulation de charge électrique transformée en niveau de tension). Le signal analogique est bruité et soumis aux distorsions (non linéarité) à toutes les étapes des processus d'acquisition, de transfert et de traitement. Nous n'allons pas passer ici en revue tous les problèmes qui se posent et

qui sont généralement bien corrigés. Nous allons uniquement nous intéresser au dark current qui

est la source principale de bruit, qui a des incidences importantes sur les collectes et les traitements en cristallographie et qui pourrait saturer le détecteur si l'on n'y prenait garde.

Dès le processus d’acquisition de l’image, il existe une pollution des charges accumulées dans les puits de potentiel venant de charges générées par l’électronique même du capteur : la création de paires électron-trou par effet thermique. Ces charges parasites se retrouvent piégées par les puits de potentiel se mélangeant ainsi aux charges utiles qui sont générées par les photodiodes (Fig.1.24).

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Figure 1.24 : Illustration du mélange des charges dues au signal et au bruit dans les puits

de potentiel. Source P. Slangen et P. Picart, Ec.Mines Alès, 2007

Le dark current dépend directement de la température du détecteur et il est intégré durant toute la

durée d'acquisition des images. La figure 1.25 montre l’évolution typique du dark current en

fonction de la température, cette évolution est linéaire en échelle logarithmique. Pour minimiser ce

dark current on refroidit les capteurs CCD et APS-CMOS par effet Peltier, avec un ou plusieurs étages de refroidissement. Sur les diffractomètres de laboratoire, la température va de 60°C à -40°C pour les CCD et elle est de -20°C pour le détecteur Bruker-AXS PHOTON100 de technologie APS-CMOS.

Figure 1.25 : Evolution du dark current en fonction de la température pour le détecteur Bruker-AXS PHOTON100. (Durst et al., 2011)

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Bien que fortement refroidi, le niveau de bruit est encore trop élevé pour obtenir des images de qualité suffisante en cristallographie (surtout pour les temps d'acquisition longs de l'ordre de la minute). Afin d’améliorer le rapport signal/bruit, on corrige du bruit à postériori. Pour ce faire, on capture des images sans illumination aux rayons X et on les soustrait aux images des collectes avec exposition aux rayons X.