3.4.1 Mesures expérimentales
Figure 3.11 Schéma de l'expérience pour les mesures intrinsèques. Les ltres ne sont utilisés que lorsqu'une inclusion uorescente est ajoutée. La dernière focale devient 8 mm lorsqu'on utilise une lentille d'immersion.
Pour les mesures intrinsèques, le milieu d'Intralipid®été utilisé comme illustré à la gure3.11.
Ce système correspond au mode normal d'opération du scanneur TomOptUS, lorsqu'on ne cherche pas à faire des mesures en uorescence. L'impulsion laser se propage donc dans le milieu et s'élargit temporellement selon les propriétés de celui-ci. Pour mesurer l'augmentation du signal avec l'ajout des lentilles d'immersion, des mesures avec et sans les lentilles d'immersion ont été prises et elles sont comparées pour voir l'impact des lentilles. Les résultats des mesures sont présentés à la gure3.12.
Figure 3.12 Mesures intrinsèques avec et sans la lentille d'immersion pour une SPAD de (haut) 50 µm et (bas) 100 µm de diamètre.
Ces courbes ont été obtenues pour une puissance laser de 0.10 mW et un temps d'acquisi- tion de 1 s. On voit que le gain possible est appréciable. L'augmentation du bruit de fond est normale, puisque le détecteur est arti ciellement plus grand lorsque l'on ajoute la lentille d'immersion, et donc plus de photons ambiants sont captés. Cette augmentation du bruit de fond peut sembler problématique, mais il est toujours possible d'améliorer le contrôle de la lumière ambiante dans l'expérience et minimiser cette composante. En eet, ces photons ne viennent pas de la propagation du laser dans le milieu et sont simplement de la lumière para- site. Dans la plupart des applications, ces photons ne sont pas considérés lors du traitement des mesures et peuvent être soustraits du signal. Ils n'ont pas vraiment d'impact sur la qualité de la reconstruction d'image.
Ensuite, pour être en mesure de quanti er ce gain, le rapport entre le cas avec et sans lentille d'immersion a été fait pour les diérents paramètres de la courbe. Cette analyse est disponible au tableau 3.3. On voit que le gain sur le nombre total de photons mesurés est important. Le rapport mesuré reste toutefois relativement loin du ≈ 4 prédit par la théorie. Pour s'assurer que l'expérience a été optimale et qu'on va bien chercher le maximum de la lentille, des simulations Zemax ont été faites pour modéliser cette augmentation. Les résultats seront discutés dans la section suivante pour avoir une référence. On veut également con rmer que l'augmentation est bel et bien due aux lentilles et non à cause de facteurs externes comme des erreurs expérimentales. Ces simulations vont permettre de con rmer cela. On spéci e que le taux de comptage reste à l'intérieur d'un écart type de 2 %. Dans le tableau 3.3, les résultats sont des rapports, l'erreur est donc de 4 %.
Un autre paramètre intéressant à comparer est le signal pour la SPAD de 50 µm avec la lentille d'immersion et celui de la SPAD de 100 µm sans lentille d'immersion. Bien que les deux cas
Table 3.3 Rapports entre les mesures intrinsèques avec les lentilles d'immersion et les mesures sans les lentilles d'immersion pour la SPAD de 50 µm et la SPAD de 100 µm.
SPAD-50 µm SPAD-100 µm
FWHM 1.10 0.87
Max 3.13 ± 0.13 4.19 ± 0.17 Total Count 3.29 ± 0.13 3.46 ± 0.14
M1 1.00 0.91
n'observent pas une surface de même taille sur le sujet, les deux mesures devraient être assez similaires, puisque la SPAD de 50 µm a un diamètre qui est arti ciellement doublé. Il serait intéressant de montrer que les lentilles d'immersion permettent d'avoir un taux de comptage comparable à une surface quatre fois plus grande avec une SPAD plus petite.
Figure 3.13 Mesures intrinsèques avec la lentille d'immersion pour une SPAD de 50 µm et sans la lentille d'immersion pour une SPAD de 100 µm.
On constate à la gure 3.13 que les deux courbes sont très similaires. En eet, on voit au tableau3.4que les paramètres restent à environ 3 % les uns des autres. Ceci est un résultat très important, puisqu'il démontre, comme mentionné précédemment, qu'en utilisant des lentilles d'immersion, il est possible d'avoir autant de photons en utilisant une surface quatre fois plus petite. Les petites SPADs ont généralement une meilleure précision temporelle, mais ceci est habituellement contrebalancé par leur plus faible taux de collection de lumière. Ces résultats démontrent qu'utiliser une lentille d'immersion peut être une bonne solution pour maximiser les avantages des plus grandes SPADs avec ceux des SPADs de plus petit diamètre.
3.4.2 Simulations Zemax du cas intrinsèque
Pour s'assurer que le maximum de la lentille d'immersion est obtenu et pour con rmer que l'augmentation est bel et bien due à cette lentille, le scénario a été reconstruit dans Zemax.
Table 3.4 Rapports entre les mesures intrinsèques avec la SPAD de 50 µm et une lentille d'immersion et la SPAD de 100 µm sans lentille d'immersion.
P 0.10 mW FWHM 0.99
Max 1.00 ± 0.04 Total Count 0.97 ± 0.04
M1 0.97
Le canal de détection avec et sans la lentille d'immersion a donc été simulé et des photons ont été envoyés de la surface du sujet. Zemax a ensuite simulé la propagation de ceux-ci comme lorsque l'on désirait faire le tolérancement du canal. Le nombre de photons qui a atteint le détecteur dans les deux cas est ensuite comparé. Bien que Zemax ne permette pas de simuler l'aspect temporel de l'expérience, on peut quand même obtenir l'augmentation du nombre total de photons qui devrait être possible d'obtenir expérimentalement. On ne peut avoir accès à l'eet de la lentille d'immersion sur le FWHM des courbes temporelles ou sur la forme de la distribution temporelle, mais ceci n'est pas dramatique, puisque l'ajout de la lentille ne devrait pas aecter la distribution des photons, seulement le nombre qui est mesuré. Ainsi, il est possible de simuler des rayons qui seront émis à la surface du sujet avec une distribution aléatoire. Bien que ces rayons sont une simpli cation des photons, on ne perd pas de généralité, puisqu'une fois qu'ils sont émis de la surface, ils vont se propager comme des rayons sans avoir de comportements ondulatoires ou corpusculaires qui ne peuvent être modélisés par Zemax. Ces simulations sont très similaires aux simulations précédemment faites pour le tolérancement de l'alignement de la lentille d'immersion et les 2 systèmes sont illustrés à la gure 3.14. Les simulations Zemax ont été prises 10 fois avec 108 rayons, ce qui a donné une variation de
0.5 % sur le nombre de rayons captés par le détecteur. Les résultats dans le tableau 3.5 sont des rapports. L'erreur est donc de 1 %.
Figure 3.14 Comparaison des 2 systèmes dans Zemax. Le système (haut) avec la lentille d'immersion et (bas) sans la lentille d'immersion.
Table 3.5 Rapports entre les mesures intrinsèques avec et sans les lentilles d'immersion pour la SPAD-50 de µm et la SPAD de 100 µm et pour les simulations Zemax.
Ratio 50 µm 3.29 ± 0.13 100 µm 3.46 ± 0.14 Zemax 50 µm 3.77 ± 0.04 Zemax100 µm 3.23 ± 0.03
Ainsi, si on compare l'augmentation du taux de comptage prédit par Zemax et celui obtenu expérimentalement comme au tableau 3.5, on voit que les données expérimentales sont très similaires à ce que Zemax prédit. Il est intéressant de noter que les rapports prévus par Zemax restent toutefois assez loin du rapport théorique de 4. Ceci est entre autres dû au choix de lentilles. On se rappelle que la deuxième lentille utilisée a une ouverture numérique de 0.60 lorsque la lentille d'immersion est absente et de 0.50 lorsqu'on ajoute la lentille. Étant donné que l'ouverture de la deuxième lentille utilisée est plus faible lorsqu'on a la lentille d'immersion, ceci vient agir comme facteur limitant. Avoir eu 2 lentilles avec la même ouverture numérique, l'augmentation aurait pu être plus proche du rapport théorique. Il faut se rappeler qu'une façon de visualiser l'eet de la lentille d'immersion est avec son eet sur l'ouverture numérique de la deuxième lentille de la paire de lentilles qui fait l'image. Ainsi, on a
N A0 = n0sin(θ0), (3.1) N A0LI N A0 = n0sin(θ0) 1 ∗ sin(θ0) = n 0. (3.2)
Normalement, le gain est le carré de cette valeur. Toutefois, cette équation implique que le terme sin(θ0) est le même dans les deux cas. En utilisant deux lentilles avec des ouvertures
numériques diérentes, ceci n'est plus le cas. Le gain devient donc le carré de l'expression suivante : N A0LI N A0 = n0sin(θLI0 ) 1 ∗ sin(θ0) = n 0 sin(θ0LI) sin(θ0) . (3.3)
Ce rapport est plus faible que le rapport initial, puisque la lentille utilisée avec la lentille d'immersion n'accepte pas un angle aussi grand que celle utilisée initialement. Il faut toutefois noter que même si ce ratio s'approche plus de la réalité, il n'est quand même pas exact. Il ne considère pas toutes les ré exions possibles à la surface de la lentille, la ré exion totale interne qui est possible à l'interface lentille d'immersion-colle, l'eet que la lentille d'immersion aura
sur le contrôle des aberrations ou toutes autres pertes dans le système. Il faut toutefois noter que les pertes associées à la lentille sont assez faibles.