Visualisation du décalage spectral par caméra CMOS : analyse

Cette section porte sur la validation expérimentale du banc d’imagerie sans len-tille schématisé sur la figure 4.19. Pour cette validation, nous avons effectué plusieurs mesures en imagerie en faisant varier l’indice de réfraction. Pour cela nous avons utilisé des solutions de glucose de concentrations croissantes de 0 à 200 g · L−1 , et avons ima-gé la puce pour chaque concentration. Entre chaque expérience, la cellule est remplie avec de l’eau déionisée pour s’assurer que l’échantillon revient dans les conditions ini-tiales avant d’utiliser la solution suivante. Nous espérons ainsi voir expérimentalement le décalage spectral induit à l’aide de la caméra.

Les images de la puce dans les différentes solutions (de 0 à 200 g · L−1) sont reportées sur la figure 4.21. On peut voir sur chaque image une matrice de taches relativement circulaires : ce sont les pixels spectraux, que nous avons délimités par des lignes blanches, et qui sont associés aux CPs de la puce. Chacune des 16 lignes visibles sur l’image représente une portion d’un spectromètre intégré (entre les colonnes G et CC), et chaque colonne est composée de CPs de conception identique. Les colonnes présentent logiquement une intensité quasi-homogène, car les CPs baignent dans la même solution. C’est pourquoi nous parlerons de colonne par la suite, pour désigner tous les CPs de la puce supportant une résonance identique.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 4.21 : Imagerie de la puce dans des solutions de glucose de différentes

concentra-tions dans l’eau déionisée : (a) eau pure, (b) 50 g · L−1, (c) 100 g · L−1 et (d) 200 g · L−1.

Les lignes blanches délimitent les pixels spectraux correspondant aux CPs de la puce.

Sur chaque image, la colonne la plus intense contient les structures dont la réso-nance est la plus proche de la longueur d’onde d’émission de la source. C’est le cas par exemple de la colonne X dans l’eau déionisée (figure 4.21a). Par suite, plus la résonance des CPs est éloignée de la longueur d’onde d’émission de la source, plus l’intensité des pixels spectraux correspondants est faible.

Par ailleurs, au fur et à mesure que la concentration en glucose augmente, les résonances de tous les CPs se décalent vers les hautes longueurs d’onde. Par conséquent l’intensité des pixels spectraux de la colonne X diminue progressivement de la première à la dernière image. En revanche, les résonances des colonnes plus à gauche se rapprochent de la longueur d’onde d’excitation : la colonne W devient ainsi la plus intense sur la figure 4.21d. Cela confirme qualitativement le bon fonctionnement de notre dispositif.

4.4. DÉMONSTRATION DE L’IMAGERIE SANS LENTILLE CHAPITRE 4 que les mailles de la grille qui les délimitent, ce qui signifie que les pixels spectraux sont perturbés par leurs voisins. Cela correspond à de la diaphotie (crosstalk) entre les CPs. En effet, la puce est éloignée d’environ 3 mm de la caméra, or des expériences préliminaires ont montré qu’à cette distance, le faisceau lumineux issu de chaque CP s’élargit et devient plus grand que la période entre les CPs, ce qui cause la diaphotie. Ce problème pourra être corrigé en optimisant l’épaisseur de la cellule fluidique.

Pour visualiser de manière plus rigoureuse l’évolution de l’intensité des pixels spectraux avec l’indice de réfraction, nous avons représenté sur la figure 4.22 la réparti-tion de l’intensité des pixels spectraux d’une ligne choisie arbitrairement, pour les dif-férentes solutions de glucose. Pour obtenir ce graphe, nous avons normalisé l’intensité des pixels spectraux de chaque image en éliminant le signal de fond, et en compen-sant numériquement la diaphotie entre CPs voisins. Plusieurs observations qualitatives peuvent être notées, en écho avec les remarques des paragraphes précédents :

1. la colonne la plus intense est la colonne X dans l’eau déionisée ;

2. au fur et à mesure que la concentration en glucose augmente, le pic d’intensité se déplace vers la gauche, et son intensité maximale diminue ;

3. de plus, un autre pic apparait, centré sur la colonne R ;

4. pour toutes les concentrations, alors que le pic d’intensité est étalé sur son côté gauche, il existe un fort contraste entre les colonnes X et Y, cette dernière étant presque complètement éteinte alors que la colonne X est très intense.

Ces mesures peuvent être expliquées par les mesures spectrales présentées sur la figure 4.23 : elle rappelle l’évolution de la résonance le long du spectromètre intégré dans l’eau déionisée (courbe bleue), similairement à la figure 4.16. Nous y avons en plus superposé le spectre d’excitation de la source lumineuse, ce qui permet de visualiser le recouvrement de la gamme d’excitation avec la gamme de transmission des CPs. Sur cette figure, on voit que le CP dont la résonance est la plus proche du spectre d’excitation est bien le CP X dans l’eau déionisée, ce qui explique que le pic d’intensité des pixels spectraux soit sur la colonne X.

De plus, quand la concentration en glucose augmente, l’indice de réfraction am-biant augmente également, et avec lui les longueurs d’onde de résonance des capteurs.

M N O P Q R S T U V W X Y Z AA 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0g/L 50 g/L 100 g/L 200 g/L In te ns ité n or m al is ée ( u. a. )

Pixel spectral (colonne)

Fig. 4.22 : Évolution de l’intensité des pixels spectraux de la ligne 2 pour chaque solution

de glucose. M N O P Q R S T U V W X Y Z AA 900 902 904 906 908 910 912 914 916 918 920 0 g/L (exp.) 50 g/L 100 g/L (extrap.) 200 g/L

Lo

ng

ue

ur

d

'o

nd

e

(n

m

)

Indice CP (colonne)

Fig. 4.23 : Évolution des longueurs d’onde de résonance mesurées dans l’eau déionisée

le long d’une ligne de la puce étudiée (courbe bleue), et extrapolation des résonances dans les différentes solutions de glucose.

4.4. DÉMONSTRATION DE L’IMAGERIE SANS LENTILLE CHAPITRE 4 Concentration en glucose (g· L⁻¹) 0 50 100 200

Indice de réfraction (RIU) 1.3258 1.3312 1.3368 1.3483 Décalage spectral théorique (nm) 0.0 1.1 2.1 4.2

Tab. 4.4 : Indice de réfraction des solutions utilisées, et décalage spectral théorique pour

une sensibilité de 186.6 nm · RIU−1.

Nous avons consigné les indices de réfraction des solutions utilisées dans le tableau 4.4, ainsi que les décalages spectraux attendus. Avec ces données, nous avons tracé l’extrapo-lation de la résonance des CPs dans les différentes solutions de glucose sur la figure 4.23 (courbes en pointillés). Ainsi, plus l’indice de réfraction augmente, plus les résonances augmentent, et tous les CPs à gauche de la colonne Y se rapprochent de la gamme d’excitation. Cela explique le déplacement vers la gauche du pic d’intensité sur la fi-gure 4.22. En particulier, la résonance de la colonne R constitue un décrochement et est anormalement élevée, ce qui explique le pic d’intensité des pixels spectraux correspon-dants. Enfin, le contraste entre les colonnes X et Y est la conséquence de l’écart élevé entre les résonances de ces CPs. Alors que la résonance de la colonne X est proche de la longueur d’onde d’excitation, celle de la colonne Y est éloignée, celle-ci ne transmet donc pas de lumière. Nous avons ainsi pu interpréter qualitativement les résultats de l’imagerie.

4.4.3 Mesure du décalage spectral sur CPs uniques : analyse