Figureiv.11– Courant d’obscurité du détecteur en fonction du gain d’avalanche, pour une cadence de lecture de
2.9FPS, après correction du gain et filtrage du signal parasite.
La figureiv.11est le courant d’obscurité en fonction du gain d’avalanche, avec le gain total corrigé et filtrage du signal parasite. On voit que la courbe a la même forme que celle de la figureiii.4. Cela est normal car la correction du gain total ne va que multiplier le résultat trouvé précédemment par leFB. Je ne corrige pas le gain d’avalanche car les résultats de la calibration du gain d’avalanche (sect.iv.1.3) ne diffèrent pas beaucoup de ceux calibrés par le fabricant. Le minimum de courant d’obscurité est donc toujours pour un gain d’avalanche de5, mais cette fois-ci la valeur de ce courant d’obscurité est d’environ90e/s.
En calculant le fond thermique théorique avec la transmission mesurée en sectioniv.2, nous avons un nouveau fond thermique théorique de80 e/s. Le courant d’obscurité minimum de 90 e/s est donc maintenant compatible avec le fond thermique théorique. On peut même en conclure qu’au gain d’avalanche de5, le courant d’obscurité est dominé par le flux du fond thermique.
iv.4 r é s u ltat s 67
iv.4.5
BruitEn effectuant les mesures indépendantes précisées dans ce chapitre, j’ai plusieurs méthodes pour mesurer le bruit du détecteur.
iv.4.5.1 Carte de bruit corrigée
La première est de recréer la carte de bruit (Fig. iii.5), mais en prenant en compte le gain total mesuré et en filtrant le signal parasite. Pour le gain, j’ai utilisé le résultat du modèle car il est obtenu à des flux typiques de ce que l’on obtient en opération sur le ciel. Pour le filtrage du signal parasite, j’utilise le filtrage par fréquence temporelle.
limité par le bruit de lecture
Gain optimal
limité par le
« tunneling »
Figureiv.12– Carte du bruit total avec gain corrigé et filtrage du signal parasite
La figure iv.12 est la carte de bruit total de la caméra. Contrairement à la figureiii.5, l’effet du signal parasite n’est plus visible, à part pour d’éventuels légers artefacts à bas gain et haute cadence de lecture. La première chose que l’on peut noter est qu’il existe une zone où le bruit est plus bas qu’un électron/trame/pixel, ce qui était l’un des buts de cette caméra. Cette zone est située entre20et175de gain d’avalanche et pour des cadences de lecture supérieures à90FPS. On remarque que pourGav
≤
5 le bruit est relativement constant en fonction de la cadence de lecture. Cela signifie que la caméra est limitée par le bruit de lecture. Pour des gains d’avalanche entre5et10le bruit commence à changer avec la cadence de lecture, surtout pour les cadences de lecture inférieures à10FPS. Cela veut dire que la caméra commence à être limitée par le courant d’obscurité, mais le bruit de lecture n’est toujours pas négligeable. Pour ces gains d’avalanche la caméra est toujours limitée par le bruit de lecture pour les cadences de lecture supérieures à50FPS.Pour les gains d’avalanche situés entre10et100, plus on augmente le gain d’avalanche, plus la limite de cadence de lecture pour laquelle la caméra devient limitée par le courant d’obscurité est élevée. Cette limite est montrée par la ligne en pointillés orange la plus basse. Pour les gains d’avalanche
entre60et100, la caméra est toujours limitée par le courant d’obscurité pour la cadence de lecture maximum (284FPS).
On remarque que pourGav
>
100 le bruit commence à augmenter. La ligne en pointillés oranges la plus haute montre cette limite en fonction de la cadence de lecture. Cela est dû à l’augmentation du courant d’obscurité avec le gain d’avalanche, à cause de l’augmentation du "tunneling" expliqué sect.iii.2.4.iv.4.5.2 Bruit apparent sous Poissonnien
Intéressons-nous maintenant au bruit apparent sous Poissonnien présenté en sectioniii.2.3. Sur la figureiv.12, on a pour la cadence de lecture la plus faible (2.9FPS) un bruit minimum de5.6e. Cela correspond à un flux associé de 5.62
·
2.9'
91e/s. Ce résultat est le même que le minimum de courant d’obscurité de la figureiv.11, que l’on considère comme venant uniquement du fond thermique. Cela confirme que la caméra est limitée par le courant d’obscurité, mais précise que celui-ci est largement dominé par le fond thermique dans ces conditions d’utilisation de la caméra. Ce résultat nous permet également de réconcilier le bruit mesuré avec la statistique de Poisson.Cependant, le bruit pour Gav
>
70 est toujours plus bas que le bruit de poisson attendu pour le courant d’obscurité correspondant. Par exemple, au gain d’avalanche de80et2.9FPS, je mesure'
260e/s, donc'
90e. Le bruit de Poisson attendu est de√
90
'
9.5e. Mais le bruit mesuré est égal à5.6e. Ce résultat peut être dû au fait qu’une partie du signal pourrait être moins amplifiée, comme proposé en sect.iii.4.2.1.
iv.5 c o n c l u s i o n s u r l a m e s u r e f i na l e d e s c a r a c t é r i s t i q u e s
d e l a c a m é r a d e m i r c-x
Dans ce chapitre, je montre que le gain calibré par le fabricant est erroné, et je calcule de deux manières indépendantes le gain réel de la caméra. Je présente un modèle du signal des détecteurs e-APD, qui me permet de conclure que l’ENF de la caméra de MIRC-X, en opération, n’est pas le même que celui annoncé par le fabricant. Grâce à cela, je retrouve des caractéristiques de bruit et de courant d’obscurité cohérents.
Les résultats de la caractérisation de la caméra de MIRC-X sont résumés dans le tableauiv.3. Tableiv.3– Caractéristiques des caméras C-RED ONE de MIRC-X
Caractéristiques Valeurs
Vitesse de lecture en observation 280images/s Bruit total pour1trame, regardant une scène à300K,Gav=80 0.58e/pixel
Transmission totale de la caméra (à1.55µm) 48%
Facteur d’excès de bruit (ENF) 1.47
v
C O N C L U S I O N S E T P E R S P E C T I V E S
Sommaire
v.1 Comparaison avec la caméra PICNIC . . . 72
v.2 Quelles seraient les améliorations possibles pour l’instrument MIRC-X/MYSTIC ? . . 73
v.2.1 Implémentation d’un cryostat . . . 73
v.2.2 Amélioration du détecteur e-APD . . . 73
v.3 Conséquence générale sur la possibilité du comptage de photons . . . 74
v.3.1 Comptage proportionnel impossible . . . 74
v.3.2 Détection d’un photon possible par utilisation d’un seuil . . . 74
v.1 c o m pa r a i s o n av e c l a c a m é r a p i c n i c
L’ajout de la caméra C-RED ONE est le principal élément d’amélioration des performances de l’instrument MIRC en MIRC-X. Pour conclure sur la réussite de cette amélioration, j’ai simulé le rapport signal à bruit (SNR) de des instruments MIRC et MIRC-X pour deux situations réalistes. La première situation est l’observation d’un objet peu brillant (flux of0.1e/pixel/ms) et non résolu par l’interféromètre (V =0.9). C’est le cas typique des étoiles massives. Les étoiles massives sont l’objectif principal de cette thèse. Le contraste des franges pour ces objets est souvent élevé (proche de1) car ce sont des objets non résolus. Pour le deuxième cas j’ai simulé un objet brillant avec un flux typique de
100e/pixel/ms, et résolu. Ces objets-là ont un contraste de frange très bas (V =0.01), comme pour les observations de surfaces stellaires totalement résolues. Le bruit du détecteur et du fond thermique de la caméra PICNIC utilisée dans l’instrument MIRC et de la caméra C-RED ONE de MIRC-X sont estimés à partir de mesures faites lors d’expositions en observant une scène à température ambiante. Le gain d’avalanche utilisé pour la C-RED ONE est de60. Il s’agit du gain avec le meilleur compromis entre le bruit de lecture et le bruit ajouté par le "tunneling" (voir Fig.iv.12). J’ai utilisé le résultat de la mesure de l’ENF (sect.iv.4.2.1) de1.47pour la caméra C-RED ONE alors que pour la caméra PICNIC, qui n’a pas de processus d’avalanche, j’ai fixé l’ENF à1(pas de bruit ajouté). Pour les deux caméras le signal des franges est codé sur100pixels. Les résultats sont montrés sur la figurev.1.