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Dynamique, r´ eponse optique, sensibilit´ e et efficacit´ e optique . 80

et efficacit´e optique

L’´etude pr´ec´edente permet de lier une variation de signal ∆S`a la variation

de puissance optique ∆P vue par un d´etecteur.

eponse optique

En mesurant la r´eponse pour diff´erentes puissances optiques incidentes,

on peut ´etablir l’´etalonnage optique de chaque d´etecteur. Sur cette courbe,

dont un exemple est pr´esent´e enfigure 33, on peut alors identifier la plage de

lin´earit´e et la r´eponse optiquedS/dP. Une lin´earit´e entre ∆S et ∆P permet

une quantification facile de la puissance d’une source inconnue. On notera

toutefois qu’une connaissance pr´ecise de la non lin´earit´e permet le mˆeme

r´esultat (mais souvent avec une perte de sensibilit´e).

La r´eponse optique par unit´e de puissance est caract´eristique de l’efficacit´e

du couplage optique des d´etecteurs. Une faible r´eponse optique peut ˆetre due

`

a une mauvaise absorption du rayonnement incident, ou `a une faible r´eponse

´electrique du d´etecteur. La d´etermination de l’efficacit´e d’absorption exploite

les mesures de photom´etrie d´ecrites pr´ec´edemment, mais n´ecessite ´egalement

une mesure de la r´eponse ´electrique des d´etecteurs, dont la d´etermination est

propre `a chaque type de d´etecteur.

Mesure de bruit

Le spectre de bruit est d´etermin´e par la transform´ee de Fourier du signal

temporel (exemple : figure 34). La bande passante sur laquelle est calcul´e le

bruit d´epend de l’application cibl´ee. En l’occurrence, les strat´egies

d’observa-tion du ciel `a l’IRAM d´efinissent une bande d’int´erˆet typiquement comprise

entre 0.5 et 2 Hz (voirIV.2.2).

L’int´egration du spectre du signal S sur une bande B donne l’´ecart-type

sur cette bande, σ

S

, tandis que la valeur en un point correspond `a la densit´e

spectrale (S

x

).

3.4 Dynamique, r´eponse optique, sensibilit´e et efficacit´e optique 81

Figure 33 – Exemple de dynamique d’un d´etecteur. La sensibilit´e est

maxi-mum et constante autour du point de fonctionnement (ou de polarisation)

optimum.

Figure 34 – La transform´ee de Fourier du signal temporel, en l’absence de

tout signal optique, d´efinit le spectre de bruit. Ici, on distingue nettement

le bruit des d´etecteurs (courbes K ) de celui de la chaˆıne de mesure seule

(d´etecteurs OFF).

Comme nous l’avons d´ej`a ´evoqu´e au chapitreI.2, les sources de bruit sont

multiples. Pour les mesures en laboratoire, on distinguera particuli`erement :

le bruit de photon, σ

ph

, celui propre au d´etecteur, σ

det

, et celui propre `a

l’´electronique de lecture,σ

elec

.

82 Partie II - Ch. 3 : Photom´etrie

Les performances de l’instrument doivent tenir compte du bruit

instru-mental total,σ

2

ins

=σ

2

elec

+σ

2

det

, comparativement au bruit attendu des sources

sur le ciel. Pour que la mesure du bruit ne soit pas limit´ee par le bruit de

l’environnement optique, il convient de placer les d´etecteurs face `a une source

optique stable et peu puissante (le bruit augmentant avec la temp´erature de

la source).

Dans le cadre du d´eveloppement de l’instrument, il est ´egalement int´

e-ressant de pouvoir dissocier le bruit d’´electronique du bruit de d´etecteur.

D´eterminer le bruit d’un canal de lecture non reli´e `a un d´etecteur (une

me-sure en court-circuit), comparativement `a celui d’un d´etecteur en condition

normale d’utilisation, permet cette distinction (voir figure 34).

Remarque :

On notera que le bruit corr´el´e sur l’ensemble des d´etecteurs peut ˆetre filtr´e

de fa¸con logicielle. Ce point sera notamment abord´e lors de la discussion du

d´epouillement des donn´ees obtenues au t´elescope de l’IRAM (partie IV).

Sensibilit´e

Les mesures de la r´eponse optique et du bruit (sur une bande-passanteB),

d´ecrites pr´ec´edemment, permettent de calculer le Rapport Signal sur Bruit

(RSB) :

RSB = S

σ

S

(B) (sans dimension)

La puissance optique P

opt

`a laquelle correspond la r´eponse optique peut

ˆetre estim´ee par les calculs de photom´etrie pr´esent´es pr´ec´edemment. On peut

alors d´eterminer la sensibilit´e en puissance d’un d´etecteur, `a N σ :

S

P N σ

=N.N EP =N · P

RSB·B W.Hz

1/2

Il est souvent plus simple de d´eterminer la variation de temp´erature

3

T

de la source ´equivalente `a ∆P, permettant de d´eterminer la sensibilit´e en

temp´erature d’un d´etecteur, `aN σ :

S

T N σ

=N.N ET =N · T

RSB·B K.Hz

1/2

Sauf pr´ecision, les sensibilit´es ´evoqu´ees par la suite seront d´efinies `a 1σ.

3. Temp´erature de corps noir ´equivalent dans le domaine Rayleigh-Jeans.

3.5 Mesure du straylight 83

En pratique

En pratique, lesimulateur de ciel (II.2.4) est l’outil id´eal pour les mesures

pr´esent´ees pr´ec´edemment :

- Diff´erentes puissances optiques sont obtenues simplement en changeant

la temp´erature du corps noir.

- Une mesure du bruit face `a une temp´erature de fond de l’ordre de 60 K

permet une estimation raisonnable de ce qu’il sera sur le t´elescope.

Lafigure 35 pr´esente un exemple de r´eponse de d´etecteurs suite `a une ´el´

eva-tion de la temp´erature du plan focal du simulateur de ciel.

Figure 35 – La variation de temp´erature du plan focal du simulateur de ciel

se traduit par une variation du signal de chaque d´etecteur (ici des KIDs),

proportionnellement `a leur sensibilit´e.

Lechopper et la plan`ete (ou lalune) peuvent ´egalement ˆetre utilis´es pour

une contre-mesure du signal, notamment grˆace `a la proc´edure d’imagerie du

plan focal (II.2.2). On notera toutefois que la r´eduction des lobes suite au

fil-trage temporel du signal, tout comme la perte de signal dans les harmoniques

de la modulation par le chopper, sont suceptibles d’introduire des biais, si

les facteurs de correction sont mal d´etermin´es. De plus, l’impossibilit´e de r´

e-gler simplement l’intensit´e de la modulation de puissance et la question de la

diffraction rendent peu pratique l’utilisation de ces sources pour l’´etalonnage

optique des d´etecteurs.

Une interface sous CAMADIA permet le calcul automatique de la

sensi-bilit´e de chacun des pixels.

3.5 Mesure du straylight

Comme cela a ´et´e mentionn´e pr´ec´edemment, le bafflage optique r´eflecteur

n’a pas permis de supprimer totalement le straylight. En d´efinissant g´eom´

e-84 Partie II - Ch. 3 : Photom´etrie

triquement le plan focal de l’instrument par le simulateur de ciel, il devient

possible de discriminer la puissance issue du plan forcal source de celle issue

de l’environnement. Cette section s’int´eresse `a la fa¸con dont on peut estimer

en laboratoire la puissance optique correspondant au rayonnement hors-axe.

Lestraylight apporte une puissance de fond suppl´ementaire. On cherche `a

d´eterminer l’´el´evation en temp´eratureT

sl

du plan focal source qui apporterait

la mˆeme puissance parasite sur les d´etecteurs. Cette d´emarche permet la

comparaison par rapport `a la temp´erature de fond intrins`eque `a la mise en

oeuvre de l’instrument au t´elescope

4

.

Figure 36 –L’effet du straylight varie avec la distance entre le simulateur de

ciel et la fenˆetre d’entr´ee du cryostat.(a)Le corps noir du simulateur de ciel

obstrue l’entr´ee du cryostat (cas id´eal). (b) L’encombrement du simulateur

de ciel impose une distance minimum. (c) En fonctionnement normal, le

simulateur de ciel couvre le plan focal et le straylight est `a la temp´erature de

l’environnement.

Dans un premier temps, lesimulateur de ciel est plac´e en sortie imm´ediate

du cryostat (figure 36-a). La lumi`ere hors-axe est donc `a la temp´erature du

simulateur de ciel. Ces conditions de mesure servent de point de r´ef´erence, et

on note P F

1

le point de fonctionnement des d´etecteurs.

Plus rigoureusement, la plaque froide du simulateur de ciel ne peut pas

ˆetre approch´ee aussi pr`es qu’on le souhaite de l’entr´ee du cryostat. Le jeu

r´esiduel laisse entrer une fraction de la lumi`ere de la pi`ece dans le cryostat

(figure 36-b). A cause de l’imperfection du bafflage, une part de ce

rayonne-ment peut ˆetre capt´ee par les d´etecteurs. Cependant, ce rayonnement ´etant

tr`es inclin´e sur l’axe optique, il doit logiquement tr`es peu contribuer au

stray-light.

On place ensuite le simulateur de ciel dans le plan focal de l’instrument

(figure 36-c). Cette transition s’accompagne d’une augmentation de la