Tesis sobre el tema "Détecteurs à lecture optique"

PMm² est un projet financé pour 3 ans (2007-2010) par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) dont le titre exact est “Electronique innovante pour photo-détecteurs distribués en physique des particules et astroparticule”. Le projet PMm² propose de segmenter les grandes surfaces de photo-détection en “macro modules” de 16 PMTs de 12’’ (2x2 m²), connectés à une électronique innovante autonome qui fonctionne en déclenchement automatique et est installé proche des PMTs. Ce développement est rendu possible par les progrès de la microélectronique qui permettent d'intégrer la lecture et le traitement des signaux de tous ces photomultiplicateurs à l’intérieur d’un même circuit intégré (ASIC) baptisé PARISROC (Photomultiplier ARray Integrated in SiGe Read Out Chip) et seules les données numérisées sont ensuite expédiées par réseau vers le système de stockage des données en surface. Le circuit PARISROC, réalisé en technologie AMS SiGe 0. 35 μm, contient 16 voies totalement indépendantes correspondant aux 16 PMTs de chaque module. Chacune de ces voies permet la lecture de la charge du signal reçu ainsi que du temps associé. Le premier prototype du circuit PARISROC a une surface totale de 19 mm2. Il a été envoyé en fabrication en juin 2008 chez Austrian Micro-System (AMS) par l’intermédiaire du centre de multi-projet CMP (à Grenoble), puis livré au laboratoire en décembre 2008. Les mesures effectuées sur l’ASIC ont conduit à la réalisation d’un second prototype. Des améliorations notables ont été apportées, en termes de bruit, de dynamique, de vitesse de lecture du chip (passage des horloges de 10 MHz à 40 MHz), de mesure de temps (améliorations de la TDC), de mesure de charge (améliorations du “shaper” lent). Envoyé en fabrication en novembre 2009 et reçu au laboratoire en février 2010, ce nouveau prototype PARISROC 2 a été testé en laboratoire et l’analyse a montré un comportement général correct et la réalisation des modifications apportées
PMm² is a project founded for three years by the French National Agency for Research (ANR) with the complete title: “Innovative electronics for photo-detectors array used in high energy physics and astroparticles”. The project proposes to segment the large surface of photo-detection in macro pixel consisting of an array of 16 PMTs of 12-inches (2*2 m²), connected to an autonomous front-end electronics which works in a triggerless data acquisition mode placed near the array. This is possible thanks to the microelectronics progress that allows to integrate the read out and the signal processing, of all the photomultipliers, in the same circuit (ASIC) named PARISROC (Photomultiplier ARray Integrated in SiGe Read Out Chip). The ASIC must send out only the digital data by network to the surface central data storage. The PARISROC Chip, made in AMS 0. 35 µm technology, integrates 16 independent channels for each PMTs of the array, providing charge and time measurements. The first prototype of PARISROC chip has a total surface of 19 mm². It has been sent for fabrication in June 2008 to AMS foundry (AustriaMicroSystems) through the CMP (Multi Project Center) and received in December 2008. The ASIC measurements have led to the realization of a second prototype. Important measurements were brought in terms of noise, dynamic range, read out frequency (from 10 MHz to 40 MHz), time measurements (TDC improvements) and charge measurements (Slow shaper improvements). Sent for fabrication in November 2009 and received in February 2010, this new prototype PARISROC 2 has been tested and the characterisation has shown a good overall behavior and the verification of the improvements

Le projet de Recherche et Développement R&D 17 au CERN, dans lequel se situe cette thèse, étudie la possibilité d'utiliser un photomultiplicateur sensible à la position (PSPM) associé à des fibres scintillantes pour définir un déclenchement de premier niveau pour le LHC. Une simulation d'événements physiques avec ISAJET a permis d'étudier ses performances pour effectuer une sélection des «bons» événements dans les conditions très sévères imposées par le LHC. Ce détecteur a de la diaphonie entre les anodes et doit donc être associé à des systèmes de lecture pour retrouver le centre de gravité de la charge laissée par la particule. Deux méthodes de reconstruction de la position ont été étudiées et simulées avec un langage de spécification VHDL afin de les comparer: une première basée sur des lignes à retard (RTD) et une autre qui utilise des systèmes de neurones. La méthode RTD a abouti à la construction d'une carte NIM qui nous a permis de définir ces limites pour notre application. Un système d'acquisition de données a été conçu dans le langage C++ pour tester des hodoscopes de fibres. C'est un système temps réel grâce à l'utilisation de la librairie tâche du C++ qui permet de gérer plusieurs tâches. Une interface utilisateur graphique sous MOTIF a été développée pour permettre d'utiliser ce système de façon conviviale. Ce système nous a permis d'étudier la résolution spatiale de notre détecteur, les multiplicités, l'effet du champ magnétique. . .

Les détecteurs gazeux ont démontré, au cours de ces dernières décennies, leur haute performance pour l'imagerie de particules radioactives, atteignant des résolutions spatiales inférieures à 100 µm. Les propriétés scintillantes de certains mélanges gazeux, combinées au gain important des détecteurs gazeux et à l'usage d'une caméra à bas bruit électronique, ont permis d'utiliser la lumière scintillée pour l'imagerie. Cette approche permet d'obtenir une large surface de détection et une haute résolution spatiale tout en réalisant l'imagerie en temps réel à un coût par pixel réduit, avec une faible complexité d'analyse des données. Les principaux objectifs de cette thèse sont d'optimiser la résolution spatiale ainsi que la sensibilité du détecteur, soit par une méthode d'acquisition "événement par événement" avec des temps d'acquisition d'image courts, soit par "intégration" avec des temps d'acquisition longs.Un détecteur Micromegas en verre innovant pour la lecture optique a été développé, tirant parti de la haute résolution spatiale inhérente au détecteur Micromegas.L'adaptabilité du gain du détecteur Micromegas liée au mécanisme d'amplification par avalanche, lui permet de couvrir une large gamme de flux et d'énergies de particules. Durant cette thèse, des mesures d'imagerie ont été réalisées à l'aide de sources avec des niveaux de radioactivité inférieurs à un Becquerel et des énergies de quelques keV, jusqu'à des flux caractéristiques d'un synchrotron et d'une source de spallation, avec des énergies dépassant le MeV.Le rendement lumineux du détecteur a été étudié pour différents mélanges gazeux et pour diverses valeurs de gain sous irradiation aux rayons-X afin d'optimiser la sensibilité du détecteur. L'homogénéité et la précision de la réponse du détecteur ont été caractérisées par radiographie à rayons-X. La Fonction d'Étalement du Point (PSF) du Micromegas à lecture optique a été mesurée à l'aide d'un faisceau de rayons-X parallèles de quelques microns d'épaisseur, générés par le rayonnement synchrotron. Cette mesure a permis de déterminer la résolution spatiale du détecteur pour différentes configurations et d'identifier et de quantifier les effets qui rentrent en jeux. L'impact de la microgrille et des piliers sur la réponse en scintillation du détecteur a également été observé et quantifié.Deux applications ont été choisies afin d'illustrer le potentiel du Micromegas à lecture optique: l'autoradiographie pour la quantification d'échantillons tritiés de très faible activitié et la radiographie neutronique à haute résolution en environnement hautement radioactif.L'autoradiographie et le comptage radioactif de rayonnements beta faiblement énergétiques ont été réalisés avec des échantillons de glucose tritié. Des activités inférieures à un Becquerel ont été mesurées avec précision et simultanément sur un grand nombre d'échantillons tout en assurant une reconstruction précise de leur position. Ce travail valide la possibilité de quantifier la concentration de médicaments anticancéreux à l'échelle de cellules tumorales uniques.Enfin, l'utilisation du Micromegas à lecture optique pour la neutronographie a été démontrée en utilisant une source de spallation produisant des neutrons thermiques à un flux d'environ 10⁸ n. s⁻¹cm⁻ ² mA⁻¹. L'uniformité de la réponse du détecteur a été étudiée, et les effets de la diffusion et du parcours moyen des particules dans le gaz sur la netteté de l'image ont été mesurés et comparés à une simulation. Une résolution spatiale de l'ordre de 400 µm a été obtenue en utilisant une amplification à double étages au sein du détecteur Micromegas
Gaseous detectors have demonstrated, over the past decades, their high performance for imaging radioactive particles, achieving spatial resolutions below 100 µm. The scintillating properties of certain gas mixtures, combined with the significant gain of gaseous detectors and the use of a low-noise camera, have enabled the use of scintillation light for imaging. This approach allows for a large detection surface and high spatial resolution while achieving real-time imaging at a low cost per pixel, with low data analysis complexity. The main objectives of this thesis are to optimize the spatial resolution and sensitivity of the detector, either by an "event-by-event" acquisition method with short image acquisition times or by "integration" with long acquisition times.An innovative glass Micromegas detector for optical readout has been developed, taking advantage of the inherently high spatial resolution of the Micromegas detector. The adaptability of the Micromegas detector's gain, due to the avalanche amplification mechanism, allows it to cover a wide range of particle fluxes and energies. During this thesis, imaging measurements were performed using sources with radioactivity levels below one Becquerel and energies of a few keV, up to fluxes characteristic of a synchrotron and a spallation source, with energies exceeding one MeV.The light yield of the detector was studied for different gas mixtures and various gain values under X-ray irradiation to optimize the detector's sensitivity. The homogeneity and precision of the detector's response were characterized by X-ray radiography. The Point Spread Function (PSF) of the optical readout Micromegas was measured using a parallel X-ray beam a few microns thick, generated by synchrotron radiation. This measurement allowed us to determine the detector's spatial resolution for different configurations and to identify and quantify the effects involved. The impact of the micro-mesh and pillars on the detector's scintillation response was also observed and quantified.Two applications were chosen to illustrate the potential of the optical readout Micromegas: autoradiography, for the quantification of very low-activity tritiated samples and high-resolution neutron radiography in highly radioactive environments.Autoradiography and radioactive counting of low-energy beta radiation were performed with tritiated glucose samples. Activities below one Becquerel were measured accurately and simultaneously on a large number of samples, while ensuring precise reconstruction of their position. This work validates the possibility of quantifying the concentration of anticancer drugs at the scale of single tumor cells.Finally, the use of the optical readout Micromegas for neutron imaging was demonstrated using a spallation source which produces thermal neutrons with a flux of approximately 10⁸ n. s⁻¹cm⁻ ² mA⁻¹. The uniformity of the detector's response was studied, and the effects of the diffusion and the mean free path of particles in the gas on image sharpness were measured and compared to a simulation. A spatial resolution on the order of 400 µm was achieved using double-stage amplification within the Micromegas detector

Deux technologies de liaison optique ont ete considerees pour la lecture de donnees analogiques dans un environnement fortement radioactif : la modulation directe de la source active (une diode laser ingaasp a emission laterale), ou la modulation externe d'un faisceau lumineux par un modulateur a electro-absorption (cavite fabry-perot en inp, utilisee en mode reflectif). Un modele fonctionnel des prototypes de liaison correspondants aux deux solutions alternatives a ete developpe comme support a leur analyse et optimisation. Des procedures de qualification uniformes (et des outils d'evaluation) ont ete developpes pour permettre de determiner les avantages et inconvenients de chaque solution en vue de l'utilisation dans le detecteur cms. Des prototypes correspondants a differentes architectures ou a differentes classes de composants ont ete evalues et compares. Les resultats experimentaux ont constitue un facteur essentiel sur lequel le choix technologique de la collaboration en faveur de la modulation directe s'est base. La liaison optique a une linearite meilleure que 1% et une gamme dynamique instantanee de l'ordre de 1000 : 1 dans une bande passante de 100 mhz. La puissance dissipee et la tolerance aux radiations sont compatibles avec les specifications du detecteur cms, mais impliquent une re-calibration periodique et un fonctionnement proche du seuil du laser. Une gamme dynamique efficace de 800:1 peut etre maintenue tout au long de la vie du detecteur. Une liaison prototype a ete integree dans une chaine de lecture complete, comportant un serialiseur des donnees au niveau du transmetteur et un digitaliseur des donnees au niveau du recepteur (developpes par d'autres groupes). La performance analogique de la chaine a ete optimisee. Sa fonctionnalite a ete demontree grace a l'emulation des signaux du detecteur. Le modele de la liaison optique est exploite pour analyser la dispersion des parametres attendue des 50 000 canaux. La simulation montecarlo est utilisee pour optimiser les specifications des composants, qui seront fixes dans le cour de l'annee 1999.

Depuis plusieurs années, les détecteurs courbes ont été proposés comme étant une nouvelle approche pour améliorer les performances des caméras. En courbant les détecteurs, une des aberrations optiques, la courbure de champ, peut en effet être annulée, ce qui permet d’avoir une meilleure résolution ou d’utiliser moins de lentilles pour une même qualité d’image.Ce travail de thèse propose d’étudier cette approche, en essayant de prendre en compte les aspects mécaniques, optiques et technologiques du système final. Tout d’abord, le lien entre la scène et la courbure des capteurs est théorisé. Ainsi, la position et la forme de l’objet par rapport au système optique influent sur la valeur de courbure du capteur optimale. Une forte compacité est permise pour les systèmes optiques possédant cette courbure. Ces études théoriques permettent de créer une nouvelle méthodologie de conception optique. Celle-ci débute par la détermination des limites mécaniques du capteur, pouvant casser lorsque la courbure est élevée. Intégrant ces limites et les changements théoriques observés, une architecture optique est choisie, donnant de hautes performances en compacité, résolution et champ de vue. De nouvelles tolérances sont établies pour la courbure. Ce système est ensuite fabriqué pour être caractérisé. La forme des montre un léger écart à la sphère. La courbure n’a pas d’impact significatif sur les performances électro-optiques des détecteurs. La qualité de l’image caractérisée est perturbée par des tilts ou décentrements probables. Enfin une caractérisation utilisant un capteur plan et l’optique imageant sur une surface courbe permet d’obtenir des informations sur la courbure idéale
In the past few years, curved sensors have been proposed to enhance optical systems. The curvature of these sensors improves off-axis aberrations, such as field curvature, which provides a better resolution and less complex optical systems.This work studies deformable and curved sensors development in a multidisciplinary approach. Firstly, scene and curved sensors are theoretically linked. The form and the position of the object change the curvature of the best image plane, leading to new relations adapted to optical systems with deformable sensors. Gains in compactness are also demonstrated. These investigations merge into a new methodology adapted to optical systems based on curved sensors that has been developed. The first step is to determine mechanical limits of the sensor such as maximum bending without breakage. Based on these limits, a new compact architecture is developed, providing high resolution and good field of view. New tolerances are determined to manufacture a system with its opto-mechanical mount. Finally, the entire imaging system is characterized. The form of the curved sensor is analyzed, showing few deviations from the ideal sphere. Electro-optical characterizations are realized and the image quality is determined according to the object distance, showing the effects of the deformable curvature. The ideal curved focal plane is also determined by combining a flat sensor to the manufactured optical system

L'étude du comportement électromagnétique des détecteurs infrarouge à puits quantiques (QWIPs et QCDs) est longtemps resté insuffisant, le développement de ces détecteurs depuis une dizaine d'années s'étant surtout orienté sur l'optimisation du transport dans la couche active. Ce n'est que très récemment qu'un formalisme adéquat au traitement du champ proche a été mis en œuvre pour modéliser ces réseaux. L'étude du réseau de couplage sur ces structures peut désormais bénéficier des travaux de recherche récents sur la plasmonique et les métamatériaux. L'enjeu de ces recherches est de dépasser la simple fonction de couplage et d'imaginer des structures optiques assurant des fonctions supplémentaires. Nous démontrons notamment la possibilité de discriminer la polarisation de l'émission corps noir avec un réseau unidimensionnel. En se basant sur les propriétés de dispersion des interfaces métal/diélectrique structurées, présentant une bande interdite photonique, nous avons réussi à concentrer l'intégralité du signal incident dans une distance inférieure au quart de la longueur d'onde. Nous proposons d'utiliser cette structure sur des pixels implantés pour augmenter le rapport signal à bruit. Nous proposons trois solutions technologiques de contact supérieur permettant de remplir aux mieux son double rôle : électrique et optique. Nous nous intéressons également à la modification du photocourant due à la présence d'impuretés dans les puits. Ces travaux devraient permettre à la fois une optimisation plus efficace du couplage électromagnétique ainsi qu'à plus long terme, la mise en œuvre de nouvelles fonctionnalités optiques intégrées au pixel.

La conversion paramétrique de photons engendrée dans un cristal non linéaire donne naissance à deux photons corrélés. Associés à un système de comptage de coi͏̈ncidences, ce phénomène permet de faire des mesures d'efficacité quantique de détecteurs fonctionnant en régime de comptage de photons, sans utiliser ni sources ni détecteurs de références. Cette nouvelle méthode a été mise en place au BNM-INM avec comme objectif la réalisation de nouveaux détecteurs de références dans le domaine des faibles flux. Elle permet la détermination de l'efficacité quantique avec une incertude relative de 1,1 %. Une comparaison avec l'IENGF (Italie) portant sur la détermination de l'efficacité quantique de l'un des détecteurs du BNM-INM a permis de confronter l'exactitude des chaînes de mesure. Ce détecteur a aussi fait l'objet d'une comparaison avec la référence française de radiométrie, le radiomètre cryogénique, les résultats étaient là aussi en accord aux incertitudes de mesures près
The parametric down conversion of photons generated in a non-linear crystal gives rise to two correlated photons. Associated to a system of counting of coincidences, this phenomena makes possible the quantum effiency measurments of detectors working on photon counting levels, without using neither sources nor detectors of references. This new method was developped at the BNM-INM with the aim to realize new standards detectors in the field of weak flows. It allows the determination of efficiency of one BNM-INL detectors made possible to confront the exactitude of the measuring equipment. This detector was also made object of comparison with the French reference of radiometry, the cryogenic radiometer, the results were in agreement with uncertainties of measurements

Les techniques les plus avancés en radiothérapie sont aujourd’hui devenu des standards dans les traitements des tumeurs malignes. Or ces techniques modernes ont la particularité de fournir des distributions complexes de la dose afin de cibler au mieux le volume tumoral à traiter et de protéger au mieux le tissu sain avoisinant le volume cible. Par conséquent, le problème de l’assurance qualité prend de plus en plus d’importance dans les unités de radiophysique au sein des services de radiothérapie. Pour pallier au manque des détecteurs actuels, une approche en trois dimensions est nécessaire pour garantir la qualité des traitements. Plusieurs techniques sont en cours de développement, notamment celles des gels dosimétriques. Cependant les techniques de lecture sont soumises à différentes types d’artéfacts limitants leurs intégrations dans les pratiques courantes. Ce travail a consisté à développer une nouvelle technique de lecture optique dédiée aux gels dosimétriques, notamment les gels de polymère. Cette méthode basée sur la mesure de l’intensité diffusée utilise une approche sphérique des domaines radioformés. En utilisant la technique du taux de polarisation, le prototype développé propose de lier l’intensité diffusée à une particule sphérique homogène dont la taille évolue en fonction de la dose absorbée. Pour démontrer cette approche de faisabilité, une caractérisation des gels de polymère a été réalisée, notamment l’étude de l’indice de réfraction en fonction de la dose absorbée. Ces informations ont permis de réaliser des modélisations numériques qui ont été ensuite confrontées à l’expérimentation
The most advanced techniques in radiotherapy have now become standard in the treatment of malignant tumors. However, these modern techniques have the particularity of providing complex distributions of the dose in order to better target the tumor volume to be treated and to better protect the healthy tissue surrounding the target volume. As a result, the problem of quality assurance is becoming increasingly important in radiophysics units within radiotherapy departments. To overcome the lack of current detectors, a three-dimensional approach is necessary to guarantee the quality of treatments. Several techniques are under development, including dosimetric gels. However, reading techniques are subject to different types of artifacts limiting their integration into daily uses.This work consisted to develop a new optical reading technique dedicated to dosimetric gels, especially polymer gels. This method based on the measurement of scattered intensity uses a spherical approach of radioformed domains.Using the polarization rate technique, the developed prototype proposes to link the scattered intensity of an homogeneous spherical particle whose size evolves as a function of the absorbed dose. To demonstrate this feasibility approach, a characterization of the polymer gels was carried out, in particular the study of the refractive index as a function of the absorbed dose. This information made it possible to carry out numerical modeling which was then confronted to the experimentation

Ce mémoire présente la modélisation, la simulation et la conception d’un nouveau capteur de température et d’étirement à fibre optique à modulation d’intensité dont l’élément sensible constituant le transducteur, est composé d’une fibre optique multimode à saut d’indice pincée entre deux mâchoires micro-structurées. L’effet du pincement produit des perturbations locales périodiques de la géométrie et de l’indice optique des éléments constitutifs de la fibre (cœur et gaine). Pour modéliser les couplages radiatifs dus à la courte période de perturbation, nous avons choisi d’utiliser un modèle électromagnétique du couplage de modes développé initialement par Dietrich Marcuse. Cette simulation nous a permis de déterminer la sensibilité du transducteur en fonction de ses caractéristiques propres. A partir de ces résultats, nous avons choisi les paramètres pour dimensionner le capteur en fonction de l’application visée. Les premiers prototypes des mâchoires des transducteurs ont été microstructurés en créneaux de 20 microns de profondeur et de période comprise entre 50 microns et 100 microns gravés dans du métal par usinage au laser femto-seconde. Après évaluation, nous avons proposé et contribué à développer un procédé de fabrication en grande série des mâchoires par injection plastique très performant. Les tests des premiers démonstrateurs de capteur ont permis de valider les modèles de calcul et révélés une réponse expérimentale linéaire en fonction du mesurande. Nous présentons les méthodes d’étalonnage statique et dynamique que nous avons proposées pour établir les spécifications métrologiques du capteur
This manuscript presents the modeling, simulation and design of a new kind of light modulation optical fiber sensor for temperature and strain measurement. The transducer consists of a multimode fiber step index clamped between two micro-structured jaws. The clamping effect generates local periodical perturbations of both the geometry and the fiber refraction indexes (core and optical cladding). In order to compute the radiative coupling occurring when the waveguide is perturbated by a mechanical deformation of short period, we have chosen to use an electromagnetic model of modes coupling initially developed by Dietrich Marcuse. The simulation allowed us to determine the transducer sensitivity according to its specific characteristics. From these results we have chosen the parameters useful to design the sensor versus the aimed application. The first jaws prototypes of transducers have been microstructured in rectangular pattern etched in metal by femto-second laser micromachining. The elementary pattern size was of 20 micrometers of depth and the pattern layout period was ranging from 50 micrometers to 100 micrometers. After evaluation, we proposed to develop a large scale fabrication process of the jaws using plastic injection which was very efficient. The experimental tests of the first sensor prototypes allowed the validation of the computing models and showed a linear response of the sensor versus the measured physical parameter. We present the static and dynamic calibration methods that we have implemented to establish the metrological specifications of the sensor

Deux thématiques majeures sont abordées dans cette thèse : l'optimisation électronique et l'optimisation électromagnétique de détecteurs dans l'infrarouge. Le premier chapitre traite de l'optimisation de détecteur InAsSb dans la bande 3-5μm. Nous avons dessiné puis fabriqué un détecteur dans lequel le transport est dominé par les phénomènes de génération-recombinaison dans la zone d'absorption et qu'il en va de même du bruit Johnson. Ceci et rendu possible par la maîtrise des interfaces de l'hétérostructure pour annihiler les phénomènes de diffusion et les effets tunnel. Ensuite, nous avons montré qu'il est possible de réduire ces phénomènes en maîtrisant le dopage dans la zone active pour trouver un optimum entre la génération recombinaison SRH et les effets Auger. La fin de ce chapitre ouvre sur l'optimisation électromagnétique de ces structures en parallèle de la réduction de la zone absorbante. Le second chapitre s'attache au dopage dans les détecteurs à puits quantiques dans la bande 8-12μm. Par rapport aux détecteurs interbandes tel que ceux étudiés dans le premier chapitre, nous montrons que la transition de Mott en dopage à lieu à un niveau de densité de donneurs bien supérieure. Nous montrons que cet effet peut engendrer des variations de propriétés optique forte dans une gamme de température correspondant aux températures de fonctionnement des détecteurs à puits quantiques. Une modélisation fine de l'absorption à basse température permet, en outre, d'estimer la ségrégation de silicium dans les barrières. La seconde partie est consacrée à l'optimisation électromagnétique de ces détecteurs à puits quantiques. En introduction de ce chapitre nous résumons les problématiques principales que doit adresser cette partie. L'importance du couplage électromagnétique provient de l'utilisation d'une micro structuration métallique de la surface de chaque pixel permettant d'augmenter l'absorption intersousbande. Le troisième chapitre du manuscrit décrit le fonctionnement de cette micro structuration. Il montre que le métal supporte des ondes de surface que l'on peut guider et dont on peut maîtriser les propriétés de dispersion. Nous proposons l'utilisation de structure périodiques avec des ruptures de symétrie pour localiser la lumière de façon tout à fait contrôlée. Des simulation électromagnétiques (élément finis, FDTD, expansion modale. . . ) viennent corroborer les calculs analytiques. Enfin, dans le quatrième chapitre nous nous proposons d'appliquer ces concepts à l'amélioration des performances des détecteurs. Ainsi nous développons des procédés technologiques permettant de réduire la zone d'absorption du détecteur par implantation de protons pour concentrer le champs électromagnétique dans cette zone et augmenter ainsi le rapport signal sur bruit. Nous montrons qu'il est possible, en utilisant des modes lents de la structuration périodique, de conserver de bonnes propriétés optiques des pixels lorsque l'on réduit leur taille.

La lecture optique de textes imprimés ne se base pas sur la seule reconnaissance de la forme graphique des caractères isolés ; elle repose aussi sur des informations statistiques, typographiques et contextuelles ; l'utilisation d'un étage d'analyse contextuelle, indépendant de l'étage de reconnaissance n'est pas satisfaisante. Ce travail a pour objet d'établir une coopération entre l'étage de reconnaissance et l'étage de correction contextuelle. L'étage d'analyse contextuelle qui est ensuite créé fournit à l'étage de reconnaissance les informations nécessaires afin que ce dernier puisse corriger en permanence ses critères de décision. L'objectif est d'augmenter les performances globales du système, au fur et à mesure des lectures successives. La première partie traite de la reconnaissance des caractères sans l'aide du contexte. Elle débute par une présentation des principales méthodes d'extraction et de traitement de l'information. Dans un premier temps, nous comparons les caractères de façon à isoler toutes les formes identiques du texte, qui seront appelées prototypes. Dans un deuxième temps, nous identifions ces prototypes grâce à une approche originale de reconnaissance, fondée sur une classification par voisinages adaptatifs. La deuxième partie est consacrée au traitement contextuel et aux liens entre les deux parties. L'étage d'analyse contextuelle corrige les erreurs à partir des redondances dans le texte des prototypes de caractères, des informations issues de l'étage de reconnaissance et de l'exploitation d'un dictionnaire. Le système réorganise les classes de l'espace de représentation en modifiant les paramètres qui interviennent dans le processus de reconnaissance. Le taux de reconnaissance globale doit atteindre un optimum qui ne dépend plus de la base d'apprentissage de départ, mais des choix des attributs et de la méthode de reconnaissance utilisée
The printed documents analysis is not only based on the optical character recognition, it also uses statistical, typographic and contextual information. A contextual stage, independent from the recognition does not give good results. The topic of this work is to build a cooperation between the recognition and the contextual stage. The recognition stage give information to the syntactic analysis stage in order to improve the correction process. Then, the contextual analysis stage provides necessary information to the recognition stage in order to correct its decision criteria and to improve automatically the recognition performance during the reading. This work is divided in two parts. The first part presents the character recognition only from the patterns and the second part studies the recognition with the help of contextual information mainly based on a syntactic correction. This work starts with a presentation of classic methods to extract features from patterns and to compare features descriptions. Then we introduce a pattern compacted by mutually comparing characters to collect all identical patterns on the entire text, called prototypes. In order to reconstruct the recognized text, we identify these prototypes with an original pretopological recognition approach, based on a classification by adaptive neighborhoods. The second part of this work deals with the contextual processing and the cooperation abilities between the two main stages involved in the recognition process. The contextual analysis corrects recognition errors with the pattern redundancies information and a trie dictionary. The system reorganizes pattern representation of the system by modifying parameters that intervene in the process of recognition. The global recognition rate reach an optimum that no longer depends on the training set, but on choice of features and the method of comparison used

Cette these decrit une etude sur de nouvelles possibilites de micro-usinage de volume du silicium et ses applications aux accelerometres multi-axiaux avec lecture capacitive et optique. Le principe physique general des capteurs d'acceleration est de mesurer le deplacement d'une masse sismique provoque par la force inertielle. Differentes configurations mecaniques sont proposees. La combinaison de deux accelerometres lateraux et d'un accelerometre sensible selon la direction verticale dans le meme substrat permet de mesurer des accelerations selon trois directions au moyen d'une puce monolithique. Chaque masse sismique est sensible a une seule direction. Pour la fabrication, une technique non conventionnelle de gravure sur silicium a ete developpee. Les avantages du procede sont la simplicite de la gravure en deux etapes, une orientation quasiment parfaite des dispositifs suivant les directions cristallines <100> du silicium, et une suspension symetrique des masses. La conception, la modelisation et la simulation, puis la fabrication et la caracterisation experimentale d'accelerometres 3d capacitifs sont presentees. Les performances mesurees sont conformes aux estimations theoriques obtenues analytiquement ou par simulation numerique. Pour mesurer les accelerations par une methode optique, on a integre une fibre optique dans une structure micro-mecanique d'accelerometre. La methode basee sur la modulation de coherence permet une lecture a distance et permet en outre de multiplexer trois signaux issus des accelerometres sur une seule fibre. Une comparaison des accelerometres capacitifs et optiques realises demontre qu'avec les deux capteurs on arrive a detecter des accelerations en dessous de 100 g. Du fait de la similarite des performances obtenues par les deux techniques, le choix de la methode de detection sera effectue en prenant d'autres criteres en compte comme par exemple le cout ou le domaine d'utilisation.

PMm² est un projet financé pour 3 ans (2007-2010) par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) dont le titre exact est “Electronique innovante pour photo-détecteurs distribués en physique des particules et astroparticule”. Le projet regroupe les partenaires suivants: le LAL, l'IPN Orsay, le LAPP et une collaboration avec l'Université libre de Bruxelles (ULB). La couverture de très grandes surfaces de photo-détection est un élément essentiel des dispositifs expérimentaux dévolus aux études des gerbes atmosphériques de grande énergie, des neutrinos de différentes sources (soleil, atmosphérique, supernova, réacteurs, accélérateurs). La prochaine génération d'expériences, comme l'après Super-Kamiokande ou tous les détecteurs Cerenkov à eau de très grande taille, ne pourront plus baser leur construction seulement sur un simple agrandissement des expériences existantes, pour améliorer les performances de détection. Ils doivent concentrer leurs efforts de R&D sur la réduction de la complexité. L'objectif de ce projet est donc une “recherche amont” en vue de facilité la réalisation de grands détecteurs utilisant des milliers de photomultiplicateurs (PMTs). Le projet PMm² propose de segmenter les grandes surfaces de photo-détection en “macro modules” de 16 PMTs de 12-inch (2x2 m²), connectés à une électronique innovante autonome qui fonctionne en déclenchement automatique et est installée proche des PMTs. Ce développement est rendu possible par les progrès de la microélectronique qui permettent d'intégrer la lecture et le traitement des signaux de tous ces photomultiplicateurs à l'intérieur d'un même circuit intégré (ASIC) baptisé PARISROC (Photomultiplier ARray Integrated in SiGe Read Out Chip) et seules les données numérisées sont ensuite transmises par réseau vers le système de stockage des données en surface. Le circuit PARISROC, réalisé en technologie AMS SiGe 0.35 μm, contient 16 voies totalement indépendantes correspondant aux 16 PMTs de chaque module. Chacune de ces voies permet la lecture de la charge du signal reçu ainsi que du temps associé. La voie pour la mesure de charge est réalisée par un préamplificateur de tension et un “shaper” lent (200 ns) qui permet de mettre en forme le signal. Le signal obtenu est ensuite stocké dans une mémoire analogique, avant d'être converti en signaux numériques grâce à un convertisseur analogique numérique (ADC). La voie pour la mesure de temps est, quant à elle, réalisée à partir du même préamplificateur suivi d'un “shaper” rapide (15ns) et d'un discriminateur. Grâce à un système de TDC (Time to Digital Converter) qui permet de convertir l'amplitude en temps, la mesure de temps est stockée dans une mémoire analogique, en parallèle de la charge, avant d'être convertie en signaux numériques. Une des innovations de PARISROC, est la partie numérique compilée, incluse dans l'ASIC pour gérer les compteurs, l'échantillonnage des signaux, leur conversion ainsi que la transmission des données. Le premier prototype du circuit PARISROC a une surface totale de 19 mm2. Il a été envoyé en fabrication en juin 2008 chez Austrian Micro-System (AMS) par l'intermédiaire du centre de multi-projet CMP (à Grenoble), puis livré au laboratoire en décembre 2008. Les mesures effectuées sur l'ASIC ont conduit à la réalisation d'un second prototype. Des améliorations notables ont été apportées, en termes de bruit, de dynamique, de vitesse de lecture du circuit (augmentation des horloges de 10 MHz à 40 MHz), de mesure de temps (améliorations de la TDC), de mesure de charge (améliorations du “shaper” lent). Envoyé en fabrication en novembre 2009 et reçu au laboratoire en février 2010, ce nouveau prototype PARISROC 2 a été testé en laboratoire et l'analyse a montré un comportement répondant aux besoins du projet et la réalisation des modifications apportées.

La sonde atomique tomographique est un instrument de mesure quantitatif, à l'échelle atomique. Cet instrument permet la reconstruction en trois dimensions, atome par atome, d'un petit volume de matière sondé (10 mm x 10 mm x 50 nm) d'un matériau métallique. L'échantillon est préparé sous la forme d'une pointe de faible rayon de courbure. Sous l'effet d'impulsions haute-tension, les atomes de la surface sont évaporés par effet de champ et projeté sur un détecteur. Ce détecteur permet la localisation des impacts en synchronisme avec la mesure des temps de vol. Chaque impulsion d'évaporation cause l'évaporation de quelques ions (0 à 10). Ces ions peuvent frapper le détecteur en même temps ou avec des temps de vol différents de quelques nanosecondes. Le système de détection doit être capable de localiser et d'identifier l'ensemble de ces ions. Ce travail de thèse est consacré à la mise au point d'un tel détecteur. Ce détecteur est constitué d'un assemblage de galettes de micro-canaux, d'un écran phosphorescent et d'une caméra CCD. Le dépôt conducteur de l'écran phosphorescent est découpé en un réseau de bandes électriquement indépendantes les unes des autres. L'arrivée d'un ion engendre en sortie des galettes une gerbe d'électrons. Cette gerbe est accélérée jusqu'à l'écran phosphorescent segmenté où elle produit un signal lumineux. Les électrons collectés sur une des bandes engendrent un signal électrique qui sert de " stop " à la mesure des temps de vol. La caméra CCD, placée derrière, enregistre les impacts lumineux. L'association entre les temps mesurés sur le réseau de bandes et les positions enregistrées par la caméra est alors immédiate. L'essentiel de ce rapport est consacré à la description de la mise au point de ce détecteur. Ses performances sont étudiées au travers de l'étude de son rendement de l'imagerie. Ce rendement est défini comme le rapport entre le nombre d'ions évaporés et le nombre d'ions présents dans le volume reconstruit.

Un projet de lecture automatique de cartes a débuté à l'institut Geographique National (IGN) en 1991. L'objectif de ce projet est de fournir une plate-forme de conversion automatique des cartes géographiques aux 1 : 25000 en données vecteurs manipulables par un système d'information géographique (SIG). L’IGN étant un producteur de cartes, nous travaillons directement sur les planches mères, et évitons ainsi le problème de séparation des couleurs. Les planches sont scannées en niveau de gris à 50 microns. Le travail a porté sur la définition et la segmentation des textures linéaires de la carte, ainsi que l'apprentissage et la segmentation des textures bidimensionnelles de la carte, l'extraction, la reconstruction et l'attribution du réseau hydrographique et routier. Les textures linéaires sont définies par des grammaires attribuées et la reconnaissance s'effectue par programmation dynamique (appariement de modelés élastiques) tolérante aux omissions, distorsions et bruits. Les textures 2D sont décrites par un graphe planaire obtenu par triangulation de Delaunay. Cette description structurelle est ensuite apprise par des réseaux de neurones, qui effectueront une classification de régions homogènes. Ces dernières sont obtenues par segmentation de type partage et réunion d'une image en niveau de gris obtenue après un lissage gaussien de l'image initiale. A la fin, une étape de régularisation est réalisée par relaxation probabiliste et croissance de régions. Finalement, les réseaux sont modélisés par des graphes, et leur reconstruction et attribution sont formalisées à l'aide d'outils de la théorie des graphes. La reconstruction utilise à la fois les connaissances sur le graphe du réseau naturel (connexe, peu de cycles, planaire), et sur sa représentation cartographique (lignes tiretées, traits et surfaces texturées). Chaque algorithme est dédié à un type de représentation particulière, ici les lignes tiretées, les traits pleins et les objets surfaciques interrompus. Ces interruptions, spécifiques au réseau hydrographique, sont dues à la présence du réseau routier qui passe par-dessus les cours d'eau. Enfin, l'attribution du graphe du réseau hydrographique, consiste à établir sa structure hiérarchique (cours d'eau temporaires, permanents, importants), identifier les cours d'eau bordés d'arbres, associer la toponymie, et valider la reconstruction avec le graphe du réseau routier.

Ce mémoire constitue la première étude complète d'un système de lecture automatique de l'écriture berbère manuscrite hors ligne. Les trois modules de la méthode de segmentation des mots en caractères présentent de nombreux aspects originaux. Citons la séparatrice à angle variable. Le taux de segmentation correct est de 96%. La reconnaissance des caractères est effectuee par deux methodes complémentaires : une méthode mixte (structurelle et statistique) et une méthode connexionniste. La méthode mixte requiert un prétraitement complexe (filtrage de bruit, changement de représentation) pour arriver à une représentation par points caractéristiques. La classification est réalisée par le calcul de la distance de Mahalanobis. Dans la méthode connexionniste, le vecteur d'entrée est construit directement à partir de la perception rétinienne de l'image normalisée ; la structure du réseau est celle d'un (PMC). Les deux méthodes peuvent coopérer séquentiellement. La méthode des n-grammes de position permet de corriger les erreurs de substitution.

Cette these presente l'etude et la realisation d'un circuit optique integre, composant essentiel d'une tete de lecture/ecriture magneto-optique integree, developpee dans le cadre du projet europeen esprit 2013. La premiere partie est une presentation generale du domaine des memoires magneto-optiques. Nous decrivons, en particulier, les principes physiques de base et nous etudions une tete optique classique. Enfin, le projet d'integration de la tete ainsi que le principe de fonctionnement du circuit integre de lecture sont exposes. La deuxieme partie est consacree a l'etude du circuit optique integre, dont la structure est du type si/sio#2/si#3n#4/sio#2. Les moyens de modelisation des differents composants optiques sont presentes, ainsi que les procedes technologiques mis en uvre. Nous definissons notamment un nouveau procede de passivation (i. E. Isolation) des circuits optiques, utilisant la technique dite de couche sacrifiee. La troisieme partie concerne l'etude experimentale de la premiere version du circuit, qui a permis de demontrer la faisabilite de la lecture. Enfin, la quatrieme partie se rapporte a la version finale du circuit. Sa realisation a permis de valider les procedes de passivation et de connexion des fibres au moyen de sillons en u

L'amélioration de la résolution en énergie des calorimètres hadroniques est adressée dans cette thèse. L'approche envisagée se base sur la technique du dual-readout qui consiste à détecter simultanément les radiations Cherenkov et la scintillation. La comparaison de ces deux signaux permet en effet de compenser les fluctuations observées dans la détection de gerbes hadroniques. Les grenats d'Aluminium et de Lutetium (LuAG), qui sont d'efficaces es scintillateurs une fois activés avec des terres rares, peuvent aussi jouer le rôle de radiateur Cherenkov sous leur forme non-dopée. Les deux types de matériaux peuvent alors être assemblés pour former un calorimètre dual-readout performant. Dans l'objectif d'étudier la faisabilité de ce concept, les effets de la concentration en dopant et de l'addition de divers co-dopants sur le rendement lumineux et les propriétés temporelles ont été étudiés. Nous avons montré le rôle important de la technique de croissance choisie sur la nature et la concentration des défauts structuraux. La géométrie optimale, qui se base sur des monocristaux en forme de fibres, donne l'avantage à la technique de micro-pulling down. Cette technologie ne montre pas de meilleurs résultats que les techniques de Bridgman et de Czochralski mais a été retenue pour des raisons de coût et d'adaptabilité pour une production à grande échelle. L'optimisation des paramètres de croissance a permis la production de fibres monocristallines de LuAG dopées avec du Cérium présentant un rendement lumineux de 8000 photons par MeV et un bon comportement en tant que guide de lumière grâce à une qualité optique bien maîtrisée. Des tests avec des faisceaux d'électrons et de pions, en conditions de calorimétrie à haute énergie, permettent désormais d'envisager la production d'un prototype à plus grande échelle.

L'objectif de cette thèse est la conception d'un nouveaucapteur à fibre optique pour la mesure enfouie dedéformation. Les capteurs de déformation à réseaux deBragg fibrés sont généralement collés à la surface de lastructure sondée. Leur utilisation comme capteur enfouipeut s'avérer inappropriée. En effet, dans ces conditions,un couplage mécanique entre le capteur et sonenvironnement modifie la déformation transverse de la fibrequi devient alors une inconnue. Dès lors, la seule mesuredu décalage de la longueur d'onde de Bragg ne suffit paspour remonter aux déformations axiales et transverses. Pour décorréler ces déformations nous proposons unearchitecture de capteur basée sur la superposition dansune fibre optique d'un réseau de Bragg (FBG) et d'unréseau longue période (LPG). Le travail de thèse a été detrouver l'architecture optimale, possédant une réponse auxdéformations linéaire et une résolution de mesureéquivalente à celle des capteurs FBG standards. Lors de laconception du capteur, des résultats classiques sur les LPGont été revisités. Des propriétés optiques inédites desmodes de gaine ont été mises en évidence. Nous avonsmontré que la forme de ces modes évolue fortement avecle rayon de gaine et qu'il existe des rayons de gainecritiques pour lesquels des modes de gaine possèdent lemême profil d'intensité. Nous avons également réalisé une étude statistique surles sensibilités des LPG aux déformations afin de dégagerdes règles générales sur l'utilisation des LPG commecapteur. Nous notons que les sensibilités croisées sontnégligeables et que les sensibilités dépendentprincipalement du pas du réseau et du rayon de gaine. L'enfouissement du capteur pouvant induire descourbures, l'influence de la courbure sur la réponse desréseaux a été étudiée en couplant des simulations paréléments finis et des méthodes semi-analytiques. Il a étédémontré que la sensibilité des FBG à la courbure est dueaux variations opposées de l'indice effectif et du coefficientde couplage des modes couplés et que l'indice effectifmoyen du réseau jouait un rôle clé dans l'amplitude et lesigne de cette sensibilité. Un mécanisme similaire a été misen évidence pour les LPG
The aim of this thesis is the design of a new fiber optic sensor for the strain measurement inside materials. Fiber Bragg grating strain sensors are usually glued on the surface of the monitored structure. Their use like embedded strain sensor may be unadapted. Indeed, in these circumstances, a mechanical coupling between the sensor and the host material changes the transverse strain of the fiber. The transverse strain becomes unknown. Consequently, the only measurement of the Bragg wavelength shift is not enough to estimate both axial and transverse strains. In order to decorrelate these strains, we propose a sensor architecture based on the juxtaposition of a Bragg grating (FBG) and of a long period grating (LPG). The thesis work consist in finding the optimal architecture so that the sensor response to strain is linear and the measurement resolution is identical to the resolution of usual fiber optic sensors. During the sensor design, some usual results on LPG have been studied again. Some original optical properties of cladding modes have been revealed. It has been shown that the shape of these modes changes significantly with the cladding radius of the fiber and that there are critical cladding radii for which some modes have the same transverse intensity distribution. A statistical study has been carried out on the strain sensitivities of LPG. General behaviors of LPG strain sensors have been highlighted. Especially, the crosssensitivities can be neglected and the sensitivities are mainly influenced by the period of grating and the cladding radius of the fiber. When the sensor is embedded inside the material, it may be bent. The bending effects on the gratings responses have been studied using the finite element as well as the semi analytical methods. It has been shown that the bending sensitivity of FBG depends on a balance mechanism between the effective refractive index change and the coupling coefficient change of the coupled modes and that the average index variation of the grating plays a key role in the amplitude and the sign of this sensitivity. A similar mechanism has been highlighted for LPG

Cette thèse, effectuée au sein de l'équipe DOTA de l'ONERA Palaiseau, porte sur l'étude et la caractérisation électro-optique de détecteurs infrarouge à superréseau (SR) InAs/GaSb. L'objectif était d'améliorer la compréhension du fonctionnement de ce photodétecteur haute performance refroidi et de statuer sur sa capacité à fonctionner à haute température (T > 120K) dans le domaine spectral MWIR (3 - 5pm). En collaboration étroite avec l'IES de l'Université de Montpellier, nous avons étudié une structure InAs-rich (présentant plus d'InAs que de GaSb dans la période du superréseau) dont les courants d'obscurité sont plus faibles que les structures classiques. Après avoir mis en place et amélioré différents bancs de test de caractérisations optiques (mesure de durée de vie par photoluminescence résolue en temps), électrique (caractéristiques courant-tension et mesure de bruit) et électro-optique (réponses spectrales calibrées), j'ai montré que les rendements quantiques de la structure InAs-rich étaient pénalisés par une longueur de diffusion des trous très faible, estimée à 80nm à 77K. J'ai proposé deux solutions pour améliorer le rendement quantique : la première, testée grâce à la première matrice InAs-rich MWIR, consiste à changer de côté l'éclairement : le rendement moyen est alors de 42% à 77K ; la deuxième est de changer de porteurs minoritaires, en dopant la structure un rendement maximal de 60% a été mesuré, pour des températures de fonctionnement de 77K à 130K. Une température BLIP de 110K a également été déterminée. Tous les résultats obtenus ont permis de donner un avis d'expert sur le fonctionnement haute température des photodétecteurs à SR MWIR
This work, realized at ONERA (DOTA), focuses on the study and the electro-optical characterization of type II InAs/GaSb superlattice (T2SL) infrared photodetectors. The aim of this work was to improve the knowledge of this high performance infrared cooled photodetector and to focus on its potential to address the high operating temperature (HOT) (T > 120K) MWIR applications. With the Institut d'Electronique et des Systèmes, we studied a InAs-rich structure, with more InAs than GaSb in the superlattice period, which exhibits a lower dark current than conventional symmetric structures. I first realized or adapted different test benches to determine the other parameters needed to characterize the detector : current-voltage characteristics, noise, calibrated spectral response and minority carrier lifetime measurements. I demonstrated that the InAs-rich structure has a quantum efficiency (QE) penalized by a very short holes diffusion length. I estimated the value equal to 80nm at 77K. Two solutions have been proposed : the first tested thanks to the first InAs-rich MWIR FPA, is to change the side of the illumination : the average QE is 42% at 77K ; the second is to switch minority carriers type, by doping the structure : a maximum QE of 60% was measured at operating temperatures varying from 77K to 130K and at zero bias voltage. A BLIP temperature of 110K was determined. Ail these results allow us to assess the ability of T2SL to address HOT MWIR applications

Les progrès en microtechnologie durant la dernière décennie ont abouti à la réalisation de plans focaux infrarouge (PFIR) de grand format, intégrant une importante densité de détecteurs (ou pixels) au centimètre carré. La caractérisation de ces composants sophistiqués devient alors un véritable défi, en particulier la mesure de la réponse spatiale des détecteurs, décrite par la fonction de transfert de modulation (FTM). Cette mesure nécessite la projection de mires parfaitement connues qui couvrent toute la surface du PFIR et contiennent des détails sub-pixels. Depuis plusieurs années, une technique originale de mesure de FTM est à l'étude à l'ONERA. L'idée initiale était d'utiliser la propriété d'auto-imagerie d'un réseau en transmission éclairé par une onde plane quasi-monochromatique, appelée effet Talbot. Un premier banc de test a été développé et a permis d'effectuer des mesures sur des PFIR fonctionnant dans la bande [1-2,5 µm] et [3-5µm]. Pour le test des composants fonctionnant dans la bande des hautes longueurs d'onde (8-12 µm), la technique se heurte à des limitations physiques (appelées effets non-paraxiaux) et des solutions alternatives ont été proposées, basées sur une classe particulière de faisceaux auto-imageants, appelés les tableaux nondiffractants. L'objet de la thèse est d'étudier de manière quantitative et rigoureuse ces effets non-paraxiaux et de développer les solutions proposées précédemment. En particulier, des techniques originales permettant de générer des tableaux nondiffractants haute-résolution (c'est-à-dire contenant des motifs de taille proche de la longueur d'onde) sont étudiées théoriquement et expérimentalement. Ces techniques exploitent l'éclairage panchromatique du réseau ainsi qu'un nouveau type de réseaux auto-imageants appelés réseaux continûment auto-imageants. Enfin, on montre que pour les mesures de FTM à différentes longueurs d'onde, une somme incohérente d'auto-images monochromatiques enregistrées à différentes distances permet de construire des motifs analogues à ceux obtenus avec un éclairage panchromatique.

L'objet de cette these est la realisation d'un detecteur gaseux a localisation optique destine a l'imagerie neutronographique dans le domaine des energies thermiques. Cette etude s'applique plus particulierement a la detection de corrosion par des systemes de neutronographie mobiles, fonctionnant a faibles flux. Le detecteur est un compteur gazeux a plaques paralleles (ppac) et le melange gazeux choisi est compose de 90% d'argon et de 10% de methane, auquel est adjoint 2 a 7% de tea. Un tel systeme scintille dans le proche ultra-violet et permet une resolution spatiale intrinseque inferieure au millimetre. Un convertisseur, constitue d'une feuille de gadolinium, permet la conversion des neutrons en particules chargees. La surface totale de detection est de 2020 cm. Les impulsions lumineuses sont amplifiees par un systeme de double intensificateurs d'image a galettes de micro-canaux, fonctionnant en saturation, avant d'etre lues par une camera ccd standard. Ce mode de fonctionnement particulier, permettant une reduction des fluctuations statistiques, fut l'objet d'une etude approfondie. Les performances du systeme complet, ainsi que quelques images, sont presentees a la fin de ce memoire.

Le travail présenté dans ce manuscrit a été effectué au sein de l’équipe de microélectronique de l’Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers (IRFU) du CEA. Il s’inscrit dans le contexte de la spectro-imagerie X et gamma pour la recherche en Astrophysique. Dans ce domaine, les futures expériences embarquées à bords de satellites nécessiteront des instruments d’imagerie à très hautes résolutions spatiales et énergétiques.La résolution spectrale d’une gamma-camera est dégradée par l’imperfection du détecteur lors de l’interaction photon-matière lui-même et par le bruit électronique. Si on ne peut réduire l’imprécision de conversion photon-charge du détecteur, on peut minimiser le bruit apporté par l’électronique de lecture. L’objectif de cette thèse est la conception d’une électronique intégrée de lecture de détecteur semi-conducteurs CdTe pixélisés pour gamma-caméra(s) compacte(s) et aboutable(s) sur 4 côtés à résolution spatiale « Fano limitée ». Les objectifs principaux de ce circuit intégré sont: un très bas bruit pour la mesure d’énergie des rayons-X, une très basse consommation, et une taille de canal de détection adaptée au pas des pixels CdTe. Pour concevoir une telle électronique, chaque paramètre contribuant au bruit doit être optimisé. L’hybridation entre l’électronique de lecture et le détecteur est également un paramètre clef qui fait généralement la résolution finale de l’instrument : en imposant une géométrie matricielle à l’ASIC adaptée au pas de 300 µm des pixels de CdTe, on peut espérer, réduire d’un facteur 10 la capacité parasite amenée par la connexion détecteur-électronique et améliorer d’autant le bruit électronique tout en conservant une densité de puissance constante. Une bonne connaissance des propriétés du détecteur nous permet alors d’extraire ses paramètres électroniques clefs pour concevoir l’architecture électronique de conversion et de filtrage optimale. Dans le cadre de cette thèse j’ai conçu deux circuits intégrés en technologies CMOS XFAB 0.18 µm. Le premier, Caterpylar, est destiné à caractériser cette nouvelle technologie, y compris en radiation, identifier un étage d’entrée pour le pixel adapté au détecteur, et valider par la mesure les résultats théoriques établis sur deux architectures de filtrage, semi gaussien et « Multi-Correlated Double Sampling » (MCDS), approchant l’efficacité du filtrage optimal et adaptées aux applications finales. Le deuxième circuit, D2R1, est un système complet, constitué de 256 canaux de lecture de détecteur CdTe, organisés dans une matrice de 16×16 pixels. Chaque canal comprend un préamplificateur de charge adapté à des pixels de 300 μm×300 μm, un opérateur de filtrage de type MCDS de profondeur programmable, d’un discriminateur auto-déclenché à bas seuil de détection programmable par canal. L’ASIC a été caractérisé sans détecteur et est en voie d’être hybridé à une matrice de CdTe très prochainement. Les résultats de caractérisations de la puce nue, en particulier en terme de produit puissance × bruit, sont excellents. La consommation de la puce est de 315 µW/ canal, la charge équivalente de bruit mesurée sur tous les canaux est de 29 électrons rms. Ces résultats valident le choix d’intégration d’un filtrage de type MCDS, qui est, à notre connaissance une première mondiale pour la lecture de détecteurs CdTe. Par ailleurs, ils nous permettent d’envisager d’excellentes résolutions spectrales de l’ensemble détecteur+ASIC, de l’ordre de 600 eV FWHM à 60 keV
The work presented in this thesis is part of a project where a new instrument is developed: a camera for hard X-rays imaging spectroscopy. It is dedicated to fundamental research for observations in astrophysics, at wavelengths which can only be observed using space-borne instruments. In this domain the spectroscopic accuracy as well as the imaging details are of high importance. This work has been realized at CEA/IRFU (Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers), which has a long-standing and successful experience in instruments for high energy physics and space physics instrumentation. The objective of this thesis is the design of the readout electronics for a pixelated CdTe detector, suitable for a stacked assembly. The principal parameters of this integrated circuit are a very low noise for reaching a good accuracy in X-ray energy measurement, very low power consumption, a critical parameter in space-borne applications, and a small dead area for the full system combining the detector and the readout electronics. In this work I have studied the limits of these three parameters in order to optimize the circuit.In terms of the spectral resolution, two categories of noise had to be distinguished to determine the final performance. The first is the Fano noise limit. related to detector interaction statistics, which cannot be eliminated. The second is the electronic noise, also unavoidable; however it can be minimized through optimization of the detection chain. Within the detector, establishing a small pixel pitch of 300 μm reduces the input capacitance and the dark current. This limits the effects of the electronic noise. Also in order to limit the input capacitance the future camera is designed as a stacked assembly of the detector with the readout ASIC. This allows to reach extremely good input parameters seen by the readout electronics: a capacitance in range of 0.3 pF - 1 pF and a dark current below 5 pA.In the frame of this thesis I have designed two ASICs. The first one, Caterpylar, is a testchip, which enables the characterization of differently dimensioned CSA circuits to choose the most suitable one for the final application. It is optimized for readout of the target CdTe detector with 300 μm pixel pitch and the corresponding input parameters. With this circuit I have also analyzed possible filtering methods, in particular the semi-Gaussian shaping and the Multi-Correlated Double Sampling (MCDS). Their comparison is preceded by the theoretical analysis of these shapers. The second ASIC D2R1 is a complete readout circuit, containing 256 channels to readout CdTe detector with the same number of pixels, arranged in 16×16 array. Each channel fits into a layout area of 300 μm × 300 μm. It is based on the MCDS processing with self-triggering capabilities. The mean electronic noise measured over all channels is 29 electrons rms when characterized without the detector. The corresponding power consumption is 315 μW⁄channel. With these results the future measurements with the detector give prospects for reaching an FWHM spectral resolution in the order of 600 eV at 60 keV

Le travail présenté dans ce manuscrit a été effectué au sein de l'équipe de microélectronique de l'Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l'Univers (IRFU) du CEA. Il s'inscrit dans le contexte de la spectro-imagerie X et gamma pour la recherche en Astrophysique. Dans ce domaine, les futures expériences embarquées à bords de satellites nécessiteront des instruments d'imagerie à très hautes résolutions spatiales et énergétiques.La résolution spectrale d'une gamma-camera est dégradée par l'imperfection du détecteur lors de l'interaction photon-matière lui-même et par le bruit électronique. Si on ne peut réduire l'imprécision de conversion photon-charge du détecteur, on peut minimiser le bruit apporté par l'électronique de lecture. L'objectif de cette thèse est la conception d'une électronique intégrée de lecture de détecteur semi-conducteurs CdTe pixélisés pour gamma-caméra(s) compacte(s) et aboutable(s) sur 4 côtés à résolution spatiale " Fano limitée ". Les objectifs principaux de ce circuit intégré sont: un très bas bruit pour la mesure d'énergie des rayons-X, une très basse consommation, et une taille de canal de détection adaptée au pas des pixels CdTe. Pour concevoir une telle électronique, chaque paramètre contribuant au bruit doit être optimisé. L'hybridation entre l'électronique de lecture et le détecteur est également un paramètre clef qui fait généralement la résolution finale de l'instrument : en imposant une géométrie matricielle à l'ASIC adaptée au pas de 300 µm des pixels de CdTe, on peut espérer, réduire d'un facteur 10 la capacité parasite amenée par la connexion détecteur-électronique et améliorer d'autant le bruit électronique tout en conservant une densité de puissance constante. Une bonne connaissance des propriétés du détecteur nous permet alors d'extraire ses paramètres électroniques clefs pour concevoir l'architecture électronique de conversion et de filtrage optimale. Dans le cadre de cette thèse j'ai conçu deux circuits intégrés en technologies CMOS XFAB 0.18 µm. Le premier, Caterpylar, est destiné à caractériser cette nouvelle technologie, y compris en radiation, identifier un étage d'entrée pour le pixel adapté au détecteur, et valider par la mesure les résultats théoriques établis sur deux architectures de filtrage, semi gaussien et " Multi-Correlated Double Sampling " (MCDS), approchant l'efficacité du filtrage optimal et adaptées aux applications finales. Le deuxième circuit, D2R1, est un système complet, constitué de 256 canaux de lecture de détecteur CdTe, organisés dans une matrice de 16×16 pixels. Chaque canal comprend un préamplificateur de charge adapté à des pixels de 300 μm×300 μm, un opérateur de filtrage de type MCDS de profondeur programmable, d'un discriminateur auto-déclenché à bas seuil de détection programmable par canal. L'ASIC a été caractérisé sans détecteur et est en voie d'être hybridé à une matrice de CdTe très prochainement. Les résultats de caractérisations de la puce nue, en particulier en terme de produit puissance × bruit, sont excellents. La consommation de la puce est de 315 µW/ canal, la charge équivalente de bruit mesurée sur tous les canaux est de 29 électrons rms. Ces résultats valident le choix d'intégration d'un filtrage de type MCDS, qui est, à notre connaissance une première mondiale pour la lecture de détecteurs CdTe. Par ailleurs, ils nous permettent d'envisager d'excellentes résolutions spectrales de l'ensemble détecteur+ASIC, de l'ordre de 600 eV FWHM à 60 keV.

Les détecteurs à inductance cinétique (MKIDs) sont des résonateurs LC à haut facteur de qualité faits à partir de couches minces supraconductrices. Ils peuvent simultanément déterminer le temps d'arrivée de chaque photon en mesurant leur énergie sans optique supplémentaire. Grâce au pouvoir de multiplexage des MKIDs qui permet de facilement réaliser des matrices de plusieurs kilopixels, cette technologie est au centre de l'attention pour les nouvelles applications en astronomie. Parmi eux se trouve l'instrument SpectroPhotometric Imaging for Astronomy with Kinetic InductanceDetectors (SPIAKID), projet du GEPI à l'Observatoire de Paris. Nous utilisons la technologie MKID pour construire un spectrophotomètre composé de 20 000 pixels qui sera déployé sur le New Technology Telescope (NTT) de 3.6m au Chili à l'horizon 2025. SPIAKID s'intéressera à la population stellaire des galaxies naines ultra faibles du Groupe Local pour mieux comprendre la formation des galaxies ainsi que la matière noire. Nous présenterons dans ce travail de thèse un design novateur pour améliorer le couplage optique entre les photons incidents et la partie sensible du détecteur
Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs) are superconductive thin films LCresonators with high quality factors. They can simultaneously record single-photon events and measure their energy without any added optics. Combined with the ease of multiplexing thousands of pixels into a large array, MKIDs are now at the heart of current and upcoming ground-based astronomy applications .Among them is the SpectroPhotometric Imaging for Astronomy with Kinetic InductanceDetectors (SPIAKID) project at Paris Observatory. We are using MKID technologyto build a 20,000 pixels spectrophotometer that will be deployed in 2025 on the 3.6m New Technology Telescope (NTT) in Chile. SPIAKID aims to study the population andmetallicity of stars in Ultra Faint Dwarf (UFD) galaxies in the Local group to have abetter understanding of galaxy formation and evolution. We will present an original design intended to improve the optical coupling between incident photons and the absorber part of the detector

De nombreuses methodes de chimie analytiques reposent sur une mesure photometrique et sont a l'origine d'une nouvelle generation de capteurs chimiques utilisant la lumiere comme vehicule de l'information. Les capteurs de ph a fibre optique sont constitues d'un indicateur colore, greffe a l'extremite d'une fibre optique, soit directement, soit par l'intermediaire d'un support macromoleculaire. Pour immobiliser l'indicateur, deux methodologies ont ete examinees. Selon le premier procede l'indicateur est immobilise sur le support macromoleculaire par une liaison non covalente. Dans la seconde methode, l'indicateur est greffe par une liaison covalente a l'aide d'un polymere reactif. Le premier est constitue de polyvinylimidazole greffe et reticule par l'epichlorhydrine a la surface de la fibre. Ce support a permis la fixation par adsorption, de sulfonephtaleines chargees negativement. L'etape d'immobilisation entraine une diminution du pka de l'indicateur. En ce qui concerne la stabilite des optodes, il a ete montre qu'elle dependait de la nature de la sulfonephtaleine adsorbee et de la concentration en agent reticulant. Cette etude a permis de retenir la tetrabromophenolsulfonephtaleine pour la realisation de prototypes industriels. L'autre procede consiste a immobiliser par liaison covalente deux derives du bleu de meldola, a l'aide d'un polymere reactif, le polychloroformiate de vinyle. La stabilite des colorants s'est revelee tres satisfaisante en milieu basique. Toutefois, les caracteristiques physico-chimiques de ces indicateurs apres immobilisation, sont differentes de celles observees en solution. La principale modification porte sur l'elargissement des bandes d'adsorption qui entraine une diminution de la dynamique de reponse aux variations de ph

Le Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO) permet l'observation de la Terre à haute résolution, par tout temps, de jour comme de nuit. L'inconvénient d'un tel système par rapport aux capteurs optiques classiques est qu'il délivre des images fortement dégradées par le phénomène de speckie, qui en limite considérablement l'interprétation automatique. Cette thèse est consacrée à la segmentation des images RSO, étape fondamentale pour faciliter et améliorer l'analyse de l'image. Le travail s'articule autour de deux axes majeurs. Dans un premier temps, nous caractérisons la précision spatiale d'une famille de détecteurs de bord adaptés au speckie et communément employée en imagerie RSO. Nous montrons en particulier que ces détecteurs fournissent une localisation biaisée des bords dans certaines situations où la forme de la fenêtre d'analyse n'est pas adaptée au bord (bord incliné, bord sinueux, speckie corrélé). .
Synthetic Aperture Radar (SAP) allows high resolution Earth observation in any weather condition, both day and night. The drawback of such a system compared to classical optical sensors that it provides images strongly corrupted by the speckle effect, whose automatic interpretation therefore drastically limited. This thesis is devoted to SAR image segmentation, which is a fund mental step to facilitate and improve the analysis of the image. Work is performed according two main lines. Firstly, we characterize the spatial accuracy of a speckle-dedicated family of edge detectors, that commonly used in SAR imagery. We show in particular that these detectors deliver a biased edje location in some situations where the analyzing window is not adapted to the edge (tilted edge, sinuous edge, correlated speckle). A simple phenomenological model is proposed to describe this property and give an approximative expression of the bias. Secondly, we use the technique of Statistical Active Contour (SAC) to improve the location of the contour of one object in a scene. Used in cooperation with the edge detector, the SAC offers notable refinement of the segmentation, by correcting the bias and reducing the variance on the contour location. .

La tomographie optique diffuse (TOD) est une technique d'imagerie médicale émergente utilisant la lumière proche infrarouge pour sonder les tissus biologiques. A partir de mesures non-invasives, cette technique permet d'obtenir les cartes en trois dimensions des coefficients d'absorption et de diffusion à l'intérieur des organes. Avec une approche multi-spectrale, la distribution spatiale des chromophores endogènes (hémoglobine, eau) peut aussi être obtenue. Pour certaines applications cliniques, il est souhaitable d'effectuer les mesures de TOD avec une sonde compacte qui regroupe tous les couples source-détecteur. Cependant, dans cette configuration, la sensibilité en profondeur est un défi majeur. Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d'adresser ce challenge en utilisant des mesures résolues en temps. Une approche résolue en temps est développée pour optimiser la TOD dans le cas des mesures de réflectance à faibles distances source-détecteur. Cette approche inclut des aspects méthodologiques concernant le traitement des mesures résolues en temps par des algorithmes de TOD basés sur la transformée de Mellin-Laplace. Cette approche comporte aussi un volet instrumental qui consiste à optimiser la chaîne de détection sur deux points précis pour améliorer la détection et la localisation de contraste d'absorption en profondeur dans les milieux diffusants. Tout d'abord, l'impact de la réponse temporelle du détecteur est étudié avec des détecteurs de photons uniques disponibles dans le commerce (photomultiplicateurs classiques et hybrides). Dans un second temps, l'augmentation de la profondeur sondée avec de nouveaux détecteurs de photons uniques, les fast-gated single-photon avalanche diodes, est explorée au cours d'une collaboration avec le Politecnico de Milan. Pour finir, une étude illustre les performances de l'approche proposée en termes de résolution spatiale en profondeur pour différents arrangements des sources et détecteurs dans une sonde optique. Des sondes optiques dont la largeur est limitée à quelques centimètres ouvrent la voie à de nouvelles applications cliniques pour la TOD. Ces sondes peuvent accéder à des organes internes comme la prostate ou faciliter les examens médicaux sur des organes externes comme le sein ou le cerveau
Diffuse optical tomography (DOT) is an emerging medical imaging technique using near-infrared light to probe biological tissues. This technique can retrieve three-dimensional maps of absorption and scattering coefficients inside organs from non-invasive measurements. With a multispectral approach, the spatial distribution of endogenous chromophores (hemoglobin, water) can even be obtained. For some clinical applications, it is desirable to carry out the measurements for DOT with a compact probe including all sources and detectors. However, the depth sensitivity is a real challenge in this configuration. We propose to tackle this challenge by using time-resolved measurements. A time-resolved approach is developed to perform DOT with reflectance measurements at short source-detector separation. This approach involves methodological aspects including the processing of time-resolved signals by DOT algorithms based on the Mellin-Laplace transform. Then, this approach consists in optimizing the detection chain on two aspects for enhancing the detection and localization of absorption contrast in depth in diffusive media. First, the impact of the temporal response of the detector is studied with commercially available single-photon detectors (classical and hybrid photomultipliers). Second, the enhancements in probed depth permitted with fast-gated single-photon avalanche diodes are explored in a joint work with the Politecnico di Milano. To finish, a study is carried out to illustrate the performance of the proposed approach with respect to spatial resolution in depth for different configurations of sources and detectors in the optical probe. Probes with a width limited to a few centimeters open the gate to multiple clinical interests. They could access intern organs like the prostate or facilitate the measurements on extern organs like the breast or the brain

Ce travail évalue la potentialité de couches minces LSMO (La0,7Sr0,3MnO3) déposées sur substrat comme détecteur de rayonnement à température ambiante, en exploitant la variation de sa résistance électrique au voisinage de 300 K. Un banc de mesure optique a été mise en place (conception et réalisation) pour achever cet objectif. Ce banc a été utilisé pour caractériser les échantillons LSMO comme détecteur de rayonnement bolométrique. Un modèle thermique analytique détaillé de la structure couche-mince-sur-substrat est proposé. Il interprète les variations de la sensibilité optique par rapport la fréquence de modulation de la puissance laser rayonnée. La discussion du modèle comprend la présentation de la diffusion de la chaleur dans le substrat et la résistance thermique d’interface couche-substrat. Ce modèle a été analysé et validé à l'aide des résultats de mesure de plusieurs surfaces de détection (méandre forme) pour différents matériaux de substrat. La valeur de la résistance thermique de l'interface couche-substrat a été estimée pour les différents substrats. La caractérisation de bolomètre inclut les paramètres thermiques et électriques, comme le TCR et la conductance thermique, nécessaires pour qualifier sa performance. Ainsi, la mesure et l'analyse de sensibilité optique et le bruit de plusieurs pixels surfaces sur différents substrats sont présentés. Le rôle de pixel géométrie (pixel surface, l'épaisseur du film, nombre de méandres) et le matériau de substrat (SrTiO3, MgO, SrTiO3/Si) sur les performances du bolomètre est étudiée, en utilisant les résultats de mesure et les données de calcul issus du modèle. La détectivité spécifique mesurée augmente pour une taille du pixel plus grand et une conductivité thermique du substrat plus petit. On estime 2107 cmW-1Hz1/2 pour échantillon 200200 µm² LSMO/STO. Pour LSMO/Si, un temps de réponse 21 µs été obtenue pour 5050 µm², ce qui est comparable à celui des détecteurs photonique
The aim of this thesis is to evaluate LSMO (La0,7Sr0,3MnO3) thin films deposited on substrate as room temperature radiation detector, by using the variation of its resistance electric near 300 K. An optical measurement setup has been designed and realized to achieve this objective. This setup was to characterize the LSMO samples as bolometrical radiation detector. A detailed thermal model of thin-film-on-substrate structure is proposed. It interprets the variation of the optical responsivity versus the modulation frequency of laser radiation power. The discussion of this model includes presenting the heat diffusion into substrate, and the film-substrate interface thermal resistance. This model has been analyzed and validated using the measurement results of many detection surfaces (meander shape) and substrate materials. The value of film-substrate interface thermal resistance was estimated for different substrates. The bolometer characterization includes the thermal and electrical parameters, like TCR and thermal conductance, needed to qualify its performance. Also, measurement and analysis of optical responsivity and noise for many different pixel surfaces on different substrates is presented. The role of detector geometry (pixel surface, film thickness, and number of strips) and substrate material (SrTiO3, MgO, SrTiO3/Si) on the bolometer performance is studied by using the measurement results and calculation data issued from the proposed model. The measured specific detectivity increases for higher pixel size and lower substrate material thermal conductivity. We estimated 2107 cmW-1Hz1/2 for 200200 µm² LSMO/STO sample. For LSMO/Si, estimation of 21 µs response time was achieved for 5050 µm², which is comparable to that of photon detectors

On décrit le fonctionnement des différents types de photodétecteurs de faible flux lumineux existant sur le marché ou nouvellement réalisés sur matériau gaas au centre hyperfréquence et semi-conducteurs de l'université de Lille. On compare les performances de ces photodétecteurs après avoir présenté les techniques de mesure. Toutes les études conduisent à la réalisation d'une barrette de photoconducteurs munie d'un système d'amplification-intégration en vue d'une utilisation en détection multicanale.

L'absorption du champ évanescent se produit lorsque le matériau qui forme la gaine d'un guide d'ondes absorbe la lumière à la longueur d'onde transmise. Cet effet connu serait à la base d'un nouveau type de capteur à fibre optique mettant en jeu l'absorption à ondes évanescentes. Pour sa réalisation, une partie de la gaine de la fibre est dénudée et remplacée par un milieu absorbant. La lumière est injectée à un bout de la fibre et détectée à l'autre bout de la fibre. La technique spectroscopique par diode laser peut être appliquée aux capteurs à fibre optique. Les lasers à diode constituent des sources accordables en fréquence. Pour obtenir cette fréquence d'émission, il faut agir sur les paramètres qui déterminent le gap d'énergie entre les niveaux de la transition. La fréquence d'émission des diodes laser peut être contrôlée sur une plage spectrale par variation de la température de fonctionnement, ou sur une région spectrale plus fine en variant le courant d'injection. Il existe une variété de méthodes spectroscopiques par diodes laser pour détecter de faibles concentrations de gaz. Nous utilisons la méthode de spectroscopie par modulation de fréquence. La fréquence d'émission du laser est donc soumise à deux variations, l'une correspond au balayage lent de la raie d'absorption par injection d'un courant en dent de scie de fréquence de l'ordre du Hz, l'autre étant une modulation sinusoïdale rapide par injection d'un courant sinusoïdal de fréquence de l'ordre du kHz. La forme du signal obtenu dépend de la forme de la raie d'absorption étudiée et de l'amplitude de modulation. La mesure à la sortie du détecteur se fait sur la fréquence de la modulation sinusoïdale. Le signal mesuré est relié à la variation de la puissance avec la longueur d'onde. Nous décrivons dans ce mémoire les différentes démarches de construction du dispositif spectroscopique par diode laser, puis son couplage à la fibre optique capteur. Des spectres d'absorption pour la vapeur d'eau ont permit de montrer les possibilités du système

Les travaux décrits dans ce document se rapportent à l'optimisation et l'évaluation de performances dans le contexte de la lecture automatique de chèques. Le premier chapitre replace d'abord le contexte de la lecture automatique de chèques dans le contexte plus global de la lecture automatique de documents, puis présente l'application cible (le système Lirecheques) à la fois sous ses aspects algorithmique, logiciel et matériel. Le deuxième chapitre décrit la notion d'optimisation d'un système informatique et les différentes mesures de performance liées a la lecture automatique de chèques. Les travaux d'optimisation sont développes dans les troisième et quatrième chapitres. Le troisième chapitre regroupe les méthodes développées pour l'amélioration des performances en lecture automatique de chèques : l'introduction de la dynamique entre les confiances pour améliorer l'auto-évaluation de la lecture automatique et l'implémentation d'un module d'analyse syntaxique/contextuelle afin d’améliorer les résultats de la chaîne de reconnaissance du montant numérique. Le quatrième chapitre décrit les méthodes développées pour l'optimisation du comportement mémoire : l'amélioration de l'utilisation du cache mémoire et l'optimisation de l'occupation mémoire. Notre approche consiste à générer une trace des références à la mémoire durant l'exécution afin d'obtenir les informations utiles pour l'analyse et l'optimisation du comportement mémoire. Cette trace est obtenue grâce à une méthode originale fondée sur une instrumentation du programme cible au niveau du code source. Toutes ces méthodes ont été validées expérimentalement sur des ensembles de données réelles et statistiquement significatifs. Elles ont trouvé comme support applicatif, le système industriel de lecture automatique de chèques, Lirecheques.

Ce mémoire présente les améliorations suggérées au scanneur de tomographie optique diffuse du groupe TomOptUS de l'Université de Sherbrooke. La tomographie optique diffuse est une modalité d'imagerie qui permet d'utiliser la lumière dans le proche infrarouge (650 - 950 nm) pour faire l'imagerie en profondeur (> 1 cm) de petits animaux comme des souris. Cette technique est très intéressante en pharmacologie et en oncologie où elle permet de faire le suivi de médicaments ou de la progression d'une pathologie. Elle permet également de réduire le nombre de sacrifices d'animaux, puisqu'elle est non-invasive. Il est donc possible de faire un suivi dans le temps de l'objet sous étude. Cette technique fonctionne aussi en fluorescence et permet donc d'utiliser différents agents pour faire le marquage d'objets d'intérêt dans l'animal. Ce scanneur fonctionne dans le domaine temporel et acquiert le temps de vol des photons qui ont traversé le sujet pour reconstruire l'impulsion laser via le comptage de photons corrélé en temps avec une source laser ultrarapide. Le présent scanneur utilise 7 canaux de détection sans contact positionnés en anneau autour du sujet. Ce nombre est présentement trop faible pour avoir un temps d'acquisition satisfaisant. Il a été déterminé que le facteur limitant est la rotation mécanique des canaux autour du sujet pour obtenir une couverture angulaire satisfaisante. Pour réduire le temps d'acquisition, il a été suggéré d'augmenter le nombre de canaux jusqu'à 32 voire 64. Toutefois, les présents canaux utilisent des tubes photomultiplicateurs qui sont trop volumineux pour une telle densité de détecteurs autour de l'animal. Des photodiodes à avalanches ont donc été envisagées pour les remplacer, puisqu'elles sont moins volumineuses, en plus d'offrir une meilleure efficacité quantique et une meilleure précision temporelle. Ceci les rend particulièrement efficaces pour le comptage de photons. Ces photodiodes ont cependant une zone photosensible avec un diamètre considérablement plus petit que les tubes photomultiplicateurs (25 - 100 μm comparativement à ≈ 1 cm pour les tubes photomultiplicateurs). Ceci réduit le taux de comptage, ainsi que le ratio signal sur bruit et rend l'alignement difficile. Le présent projet est donc d'optimiser les canaux de détection incorporant ces photodiodes à avalanches. Une analyse des paramètres et des contraintes a d'abord été faite pour cibler les spécifications optimales des canaux. Ensuite, plusieurs concepts optiques sont présentés et analysés qui offrent des performances optimales avec un taux de comptage maximal. Ces nouveaux canaux utilisent des lentilles d'immersion comme concentrateurs optiques. Ces lentilles hémisphériques peuvent atteindre un rapport de concentration de ≈ n², ce qui correspond dans le cas présent à ≈ 4. Ceci se traduit en une augmentation du taux de comptage et du rapport signal sur bruit du même rapport. L'installation et l'alignement de ces lentilles d'immersion sur les photodiodes à avalanches dans un module sur mesure ont ensuite été réalisés et la confirmation expérimentale de cette augmentation du taux de comptage a été démontrée avec des mesures intrinsèques et en fluorescence. Cette augmentation expérimentale est appuyée par des simulations Zemax qui sont en excellent accord avec l'expérimental. Finalement, la confirmation que ces lentilles n'affectent pas la précision temporelle des photodiodes a été obtenue expérimentalement.
This dissertation showcases the improvements suggested for the diffuse optical tomography scanner of the TomOptUS group at Université de Sherbrooke. Diffuse optical tomography is an imaging modality that uses near infrared light (650 - 950 nm) to image small animals such as mice in depth (> 1 cm). This technique is very interesting for pharmacology or oncology where it can be used to track medicine or the progress of pathology. It also decreases the number of necessary sacrifices since it is a non-invasive technique. The temporal progress of the object under consideration can, in that case, be acquired with ease. This technique can also be used with fluorescent agents to track different objects of interest in the animal. This scanner works in time domain where the time of flight of individual photons that propagated through the subject is registered to reconstruct the laser pulse via time-correlated single photon counting with an ultra-fast laser source. The current scanner uses 7 no-contact detection channels positioned in a ring around the subject. This number of channels is too low to obtain a satisfying acquisition time. It was determined that the limiting factor is the need to mechanically rotate the channels around the subject to obtain the necessary angular coverage. To reduce the acquisition time, it was suggested to increase the number of detection channels to 32 or even 64. However, the current channels use photomultiplier tubes which are too bulky to be used with such a high density of detectors. Single photon avalanche diodes have been considered to replace them because of their relative small size, excellent temporal resolution, and better quantum efficiency. These characteristics make them especially efficient for photon counting. These photodiodes, however, have a photosensitive surface with a very small diameter compared to the photomultiplier tubes (25 - 100 μm compared to ≈ 1 cm for photomultiplier tubes). This reduces the photon count rate, lowers the signal to noise ratio, and makes the alignment difficult. The goal of this project is to optimize the design of new detection channels that use these single photon avalanche diodes. A primary analysis of the parameters and constraints on the system was first conducted to pinpoint the optimal parameters. Several optical designs are then presented and analyzed. These channels can achieved a maximum photon count rate with the use of immersion lenses. These immersion lenses act as optical concentrators and achieve a concentration ratio of ≈ n² which is ≈ 4 in our case. This translates to an increase in the photon count rate and signal to noise ratio of the same ratio. The affixing of the immersion lens on a custom photodiode module was then performed and the experimental confirmation of the increase in photon count was obtained with intrinsic and fluorescence measurements. This experimental increase is supported with Zemax simulations which are in good agreement with the experiments. Finally, it was experimentally confirmed that those immersion lenses do not affect the excellent temporal resolution of the single photon avalanche diodes.

Le système nerveux central (SNC) est composé d’une population hétérogène de neurones. L’étude de leurs propriétés fonctionnelles à l’intérieur du SNC est indispensable afin de parvenir à comprendre leur rôle dans l’intégration du signal à l’intérieur d’un réseau. Pour accéder à ces informations, il est essentiel de pouvoir enregistrer de manière électrophysiologique des cellules identifiées dans le tissu intact. Ce type d’enregistrement ciblé est un défi, spécialement pour les circuits locaux de neurones. Pour prendre pleinement avantage des récentes techniques de marquages fluorescents, l’habilité à enregistrer des cellules individuelles électrophysiologiquement doit être combinée à un système de détection optique. Ce système doit être lui aussi capable de détecter les neurones sur une base individuelle profondément dans le SNC. Cette thèse fait la description d’une nouvelle microsonde optique et électrique basée sur une fibre optique à deux cœurs : un cœur optique permettant d’excitation local de la fluorescence de cellules marquées par un fluorophore et permettant aussi de collecter la fluorescence émise, et un cœur creux remplis d’électrolytes permettant l’enregistrement électrophysiologique unitaire de manière extracellulaire. Cette nouvelle approche permet la production de microsondes ayant suffisamment de résolution spatiale optique pour détecter une cellule unique : la microsonde peut être étirée pour obtenir un diamètre de pointe allant jusqu’à 6 µm, ce qui est plus petit que les corps cellulaires de la plupart des populations neuronales. La thèse présente l’évolution des différents designs de microsonde et du montage expérimental. Pour caractériser les propriétés optiques des sondes, une série d’expériences in vitro (sur des tranches cérébrales de rat) ont été réalisées ainsi qu’une série de simulations numériques. Par la suite, des expériences in vivo (sur le SNC de rat et souris) ont été faites pour identifier et enregistrer des neurones spinothalamique unitaires marqués au DiI ainsi que des neurones cérébraux de souris génétiquement modifiés pour exprimer de la GFP dans leurs cellules GABAergiques. Cette thèse présente aussi un critère spatial optique et électrophysiologique afin de confirmer la co-détection de cellules unitaire. Cette nouvelle microsonde ouvre de larges possibilités pour les enregistrements électrophysiologiques in vivo en donnant accès, en parallèle, aux signaux optiques unicellulaires.
The central nervous system is composed of heterogeneous populations of neurons. Studying their functional properties in the intact central nervous system (CNS) is key to be able to understand their respective role in signal processing within entire networks. To achieve this, it is essential to be able to record electrophysiologically from identified neurons in the intact tissue. Recording from identified cells types in vivo has remained a challenge, especially for local circuit neurons. Novel fluorescent labeling techniques open new possibilities on that front. To take full advantage of these recent developments, the ability to record electrophysiological signals from single neurons must be combined with optical detection of individual cells deep into CNS tissue. Here it describe the development of a novel microprobe based on a dual core optical fiber: an optical core that excites locally fluorescent labeled cells and collects back the fluorescence, and an electrolyte filled hollow core that performs classical extracellular single unit electrophysiological measurements. In contrast to previous solutions, this novel design allows production of microprobes with sufficient optical resolution for single cell detection: the microprobes could be pulled down to tips sizes of 6 µm, which is smaller than the cell body diameter of most neuron populations. It is presented the evolution of the microprobe design and the experimental setup. To characterize the optical properties of the probes, it is showed a series of in vitro experiments and numerical simulations. Then, it is presented in vivo experiment to identify and record single spinal neurons labeled retrogradely with fluorescent dyes as well as single GABAergic interneurons expressing GFP in the brain of transgenic mice. It’s also established a spatial criterion to correlate optical and electrophysiological signals, confirming co-detection of single cells. This novel microprobe vastly expands possibilities for in vivo electrophysiological recording by providing parallel access to single cell optical monitoring.

Les chaînes linéaires de traitement des signaux, provenant des détecteurs de particules, doivent être très rapides dans les cas où le taux de particules incidentes est élevé. Ceci impose que tous les signaux de longue durée soient raccourcis à l'aide de circuits de filtrage que nous rajoutons dans la chaîne linéaire ; c'est le cas pour le signal provenant du détecteur pour la réponse du premier étage d'amplification optimisé en ce qui concerne le rapport signal sur bruit et également pour la réponse du câble de transmission, utilisé pour transmettre des signaux ayant un temps de montée très rapide. En ce qui concerne les signaux ayant une forme exponentielle, la synthèse du filtre est aisément obtenue : le pôle du signal est annulé à l'aide du zéro du filtre et remplacé par le pôle de ce dernier. Le filtre s'appelle alors "pôle-zéro". Pour les autres signaux présentant une longue queue non exponentielle, il n'existe pas de méthode simple pour la synthèse du filtre de raccourcissement. Nous utilisons les circuits "pôle-zéro" ; ceux-ci étant déterminés à l'aide d'une approximation du signal en une partie rapide à laquelle s'ajoute une exponentielle lent. Nous déterminons ainsi les caractéristiques des filtres "pôle-zéro" pour chaque signal à raccourcir en fonction du raccourcissement souhaité ; ce dernier dépend de la largeur du filtre gaussien de mise en forme utilisé
In the case of detectors with high particle rates, the read out electronics has to be fast. The overall response of the chain to the detector signal has to be made short by using appropriate filtering. Hence, shortening filters are used for the detector signal tail, for the preamplifier integration time constant and for the transmission cable tail when used with fast signals. For exponential waveform shortening, the filter synthesis is easy: the signal pole is cancelled by the zero of the filter circuit response and replaced by a new pole. The filter is called a “pole-zero”. For a signal with a non exponential tail, there is no simple way to accomplish the filter synthesis. In this case, the same “pole-zero” filters are used, but the synthesis is done by using an approximation for the signal with: a fast component by a Dirac function and a slow component by an exponential function. We are able in this case to determine the characteristics of the filter as a function of the desired shortening, which depends of the Gaussian filter width desired for the overall response

La detection de rayons-x par un detecteur a gaz est etudiee. La construction des lignes-a-retard est traitee du point de vue de l'utilisation pour la lecture de position d'incidence des photons. La technologie de micro-pistes deposees sur un substrat isolant est utilisee pour la construction de prototypes de detecteurs a localisation uni et bi-dimensionnelle. Cette technologie offre la possibilite d'ameliorer la resolution spatiale et le taux de comptage des detecteurs a gaz. Des etapes comprises entre l'absorption des photons et l'enregistrement de leurs coordonnees de position en memoire sont traitees, notamment la formation de signaux electriques dans le detecteur, le circuit de pre-amplification, l'optimisation de la ligne-a-retard et le systeme d'acquisition de donnees

Les réseaux et systèmes de télécommunications mondiaux fondent aujourd'hui leur confidentialité sur la cryptographie classique, qui repose sur des hypothèses mathématiques fragiles. La distribution quantique de clef (QKD) est aujourd'hui la seule façon connue pour distribuer des clefs avec une sécurité inconditionnelle. Ce travail de thèse contribue à combler de manière pluridisciplinaire et polyvalente le gap entre les limites physiques fondamentales et l'implémentation expérimentale, en termes de vitesse, fiabilité et robustesse. Dans un premier temps, nous avons donc proposé une implémentation du protocole BB84 utilisant les états de phase cohérents. Le récepteur homodyne a été conçu de manière à compenser les fluctuations de phase et de polarisation dans les interféromètres, ainsi que dans le reste du canal de propagation. Ensuite, nous avons mis en place un dispositif expérimental de système QKD à la longueur d'onde 1550 nm, avec une modulation QPSK fonctionnant avec un trajet et un sens de parcours uniques, dans une fibre optique mono-mode. Les deux schémas de détection: le comptage de photons (PC) et la détection homodyne équilibrée (BHD) ont été mis en œuvre. Enfin, nous avons effectué des comparaisons théoriques et expérimentales de ces deux récepteurs. Le récepteur BHD a été élaboré avec une décision à double seuil. La mise en œuvre d'un tel processus accepte des mesures non-conclusives, et réduit l'efficacité de génération des clés, mais reste encore bien meilleur que celle des PCs à 1550 nm. Nous avons également prouvé que ce système est robust sous la plupart des attaques potentielles
Nowadays the information security and privacy of the telecommunications Networks are based on the classical cryptography, which relies on the fragile mathematical assumptions. The quantum key distribution (QKD) is presently the only known way to distribute keys with unconditional security. This thesis aims to apply a multidisciplinary versatile approach to fill the gap between the fundamental physical limits and the experimental system implementations, in terms of speed, reliability and robustness. First of all, we proposed a BB84 protocol implementation using coherent phase states. The homodyne receiver was designed to compensate the phase and polarization fluctuations in the interferometers, as well as in the rest of the propagation channel. Then we established an experimental one-way QKD system operating at 1550 nm Telecom wavelength in a single mode fiber link, with QPSK modulation. Both the photon counting detection (PC) and the balanced homodyne detection (BHD) schemes have been implemented. Finally, we conducted theoretical and experimental comparisons of these two receivers. The BHD receiver has been improved with a dual-threshold post-decision. The implementation of such a process accepts non-conclusive measurements, and reduced key generation efficiency, but its permanence remains still better than the PC receiver at 1550 nm. We also proved that this system is robust under most common potential attacks

Les réseaux et systèmes de télécommunications mondiaux fondent aujourd'hui leur confidentialité sur la cryptographie classique, qui repose sur des hypothèses mathématiques fragiles. La distribution quantique de clef (QKD) est aujourd'hui la seule façon connue pour distribuer des clefs avec une sécurité inconditionnelle. Ce travail de thèse contribue à combler de manière pluridisciplinaire et polyvalente le gap entre les limites physiques fondamentales et l'implémentation expérimentale, en termes de vitesse, fiabilité et robustesse. Dans un premier temps, nous avons donc proposé une implémentation du protocole BB84 utilisant les états de phase cohérents. Le récepteur homodyne a été conçu de manière à compenser les fluctuations de phase et de polarisation dans les interféromètres, ainsi que dans le reste du canal de propagation. Ensuite, nous avons mis en place un dispositif expérimental de système QKD à la longueur d'onde 1550 nm, avec une modulation QPSK fonctionnant avec un trajet et un sens de parcours uniques, dans une fibre optique mono-mode. Les deux schémas de détection: le comptage de photons (PC) et la détection homodyne équilibrée (BHD) ont été mis en œuvre. Enfin, nous avons effectué des comparaisons théoriques et expérimentales de ces deux récepteurs. Le récepteur BHD a été élaboré avec une décision à double seuil. La mise en œuvre d'un tel processus accepte des mesures non-conclusives, et réduit l'efficacité de génération des clés, mais reste encore bien meilleur que celle des PCs à 1550 nm. Nous avons également prouvé que ce système est robust sous la plupart des attaques potentielles.

Cette thèse présente un travail de recherche en vision par ordinateur concernant la définition d'un système de vision, capable d'identifier des caractères manuscrits isolés disposés sur un support horizontal mobile. La technique employée consiste en l'analyse de l'information contenue dans les contours du polygone circonscrit au caractère. Après leurs extractions, ces contours sont décrits par des chaînes de segments de droite pour donner lieu à une nouvelle méthode de représentation des caractères : la représentation à l'aide des profils gauche et droit et des invariants algébriques et topologiques. Nous présentons également une méthode de reconnaissance par arborescence multiniveaux. Le premier niveau effectue une classification floue munie d'une comparaison dynamique entre les profils par application d'une distance définie par un codage des orientations des contours. Les niveaux suivants raffinent la décision par utilisation des invariants algébriques et topologiques. Des résultats concrets sont présentés et nous atteignons des taux de reconnaissance supérieurs à 98% dans le cas des caractères numériques manuscrits, démontrant ainsi la puissance de notre algorithme.

Le sujet de cette these concerne un systeme de lecture de bandes magnetiques par effet magneto-optique induit dans un grenat. Les informations enregistrees sur la bande sont transferees sur le grenat transducteur et imagees optiquement grace a l'effet faraday sur une barrette ccd. Une etude du grenat montre les possibilites de ce type de lecture (resolution 1 micro5 microns) et ses limites (bruit dans le grenat). Des possibilites d'amelioration de ce transducteur sont abordees (transducteurs bicouches). Une lecture multipiste en parallele est realisee: 512 pistes pourraient etre imagees sur les 512 pixels d'un ccd entrelace. Le systeme optique comporte une illumination cylindrique generee par une diode laser 20 mwatts emettant a 780 nm. Le dispositif d'imagerie a partir duquel sont donnes les premiers resultats est realise a partir d'un objectif conventionnel et un anamorphoseur microscopique. Le rapport signal a bruit de 38 db sur la bande de nyquist montre que le dispositif offre de bonnes performances. Le debit peut atteindre 20 mbits/s avec un tel systeme. L'objectif d'imagerie est remplace par un ensemble catadioptrique, plus compact et peu couteux. Ce systeme a un grandissement de 1 et est depourvu d'aberrations pour des raisons de symetrie. Un calcul des tolerances montre qu'il est possible de realiser le dispositif dans de bonnes conditions. Cela permet d'envisager la realisation d'un veritable systeme destine au grand public

Le travail presente dans ce manuscrit est divise en deux parties. La premiere est focalisee sur la caracterisation du systeme analytique, i. E. Un systeme de detection/transduction et un support d'immobilisation, le plus performant pour le developpement d'immunocapteurs en flux continu. La seconde partie est dediee a l'etude de l'electrochimiluminescence (ecl) du luminol et a son application au developpement de biocapteurs electrochimiluminescent. Deux molecules ont ete utilisees pour l'etude d'immunocapteurs : un herbicide, l'acide 2,4-dichlorophenoxyacetique (2,4-d) et une toxine planctonique, l'acide okadaique (oa). Dans une premiere etude, le 2,4-d est utilise comme molecule cible afin de comparer les performances de deux systemes de detection, l'electrochimiluminescence du luminol et la chimiluminescence (cl) catalysee par la peroxydase. La reaction ecl, declenchee par une electrode de carbone vitreux polarisee a + 425 mv vs pt (pseudo-reference), permet une detection tres sensible du luminol et d'anticorps marques par le luminol. Neanmoins, malgre cette sensibilite, l'immunocapteur cl est apparu etre le plus performant avec une detection du 2,4-d possible sur la gamme 0,2 g/l - 200 mg/l. Cette etude a ete menee en utilisant l'electrode de carbone elle meme comme support d'immobilisation. Ce systeme est apparu stable et regenerable mais dans des conditions relativement difficiles (une etape de sonication). Afin de solutionner ce probleme, les etudes se sont dirigees vers la recherche d'un support d'immobilisation minimisant l'adsorption non-specifique des anticorps et permettant une regeneration aisee de l'antigene immobilise. Ces caracteristiques ont ete reunies avec un nouveau type de membranes preactivees (ultrabind t m). Ces dernieres sont utilisees pour le developpement d'un immunocapteur pour la detection de l'oa dans des tissus de moules. Dans ce cas, les membranes d'antigene immobilise sont stables et regenerables par simple application d'une solution chaotropique. Cet immunocapteur est alors utilise afin de comparer une detection chimiluminescente et un troisieme systeme de transduction, l'amperometrie, base sur l'activite d'anticorps marques par la glucose oxydase (god). Comme attendu, l'immunocapteur cl s'est avere le plus performant avec une limite de detection de 0,1 g/l, obtenue en 20 minutes, alors que l'obtention de cette limite de detection necessite 50 minutes avec le systeme amperometrique. De plus, l'immunocapteur cl a pu etre totalement integre dans un systeme a flux continu. Lorsque ce systeme analytique est applique a la detection du 2,4-d, les performances de l'immunocapteur apparaissent egalement satisfaisantes pour un temps de mesure de 20 minutes. Les immunocapteurs cl utilisant les membranes ultrabind t m semblent donc les plus performants pour l'immunodetection rapide de molecules de faible poids moleculaire. La detection electrochimiluminescente du luminol s'est averee tres sensible. Cette reaction permet egalement de detecter une seconde molecule, le peroxyde d'hydrogene. Cette opportunite est utilisee dans cette deuxieme partie afin d'etudier deux biocapteurs en flux continu bases sur l'immobilisation de la glucose oxydase et de la lactate oxydase. La haute sensibilite de la detection du peroxyde d'hydrogene, de 1,5 pmol a 27,5 nmol, nous a permis d'obtenir des limites de detection respectivement de 60 et 150 pmol pour les biocapteurs a lactate et a glucose. De plus, l'utilisation de ces biocapteurs pour des dosages dans des matrices complexes telles que du serum humain ou du petit lait nous a permis de demontrer l'absence d'interferences dues a ces matrices. Ces mesures en milieu complexe presentent une bonne correlation avec les methodes de references et sont stables lors d'utilisations repetees des biocapteurs (40-60 essais sur 20 heures).

Le détecteur LHCb est l'une des quatre expériences de physique des particules de la nouvelle chaîne d'accélération LHC du CERN. Afin de réduire la quantité de données destinée au stockage, un dispositif de sélection en ligne est mis en place. L'unité de décision au niveau 0 (L0DU) est le système central du premier niveau de déclenchement. LODU est un circuit imprimé 16 couches intégrant des composants de haute technologie de type FGPA et des liaisons optiques à 1,6 Gbit/s. Le traitement est implémenté en utilisant une architecture pipeline synchrone à 40 MHz. L0DU applique un algorithme de physique simple pour calculer sa décision et réduire le flot de données de 40 MHz à 1 MHz pour le prochain niveau de sélection. Le traitement interne se compose d'un traitement partiel des données (PDP) et d'une partie dédiée à la définition de l'algorithme de sélection (TDU). Le TDU est flexible et permet de reconfigurer entièrement les conditions de déclenchement sans re-programmation des FGPA

Ce travail de thèse à été effectué dans l’équipe « Capteur de polluants atmosphériques » dirigée par Thu-Hoa Tran-Thi, au sein du Laboratoire Francis Perrin (URA 2453, CEA/CNRS). L’équipe travaille sur la détection de polluants gazeux toxiques pour la qualité de l’air, la surveillance de l’exposition des travailleurs et pour la lutte contre le terrorisme chimique. Parmi les polluants présents dans l’air intérieur, nous nous sommes particulièrement intéressés aux COV et plus précisément à la famille des composés carbonylés. Les deux plus petites molécules de cette famille sont le formaldéhyde et l’acétaldéhyde. Ce sont des polluants ubiquistes de l’air intérieur, dont les concentrations moyennes retrouvées dans les logements français sont de l’ordre de 18 ppb et 7 ppb respectivement (1 ppb = 10-9 molécules par molécules d’air). Le formaldéhyde a été classé comme « cancérigène certain chez l’homme » en 2004 par le Centre international de Recherche sur le Cancer. La valeur de 18 ppb mesurée dans les logements est supérieure aux recommandations de l’Agence Française de Sécurité et de Surveillance de l’Environnement du travail qui est de 8 ppb pour une exposition chronique. Ainsi la détection et la quantification des concentrations en formaldéhyde dans les logements et les lieux publiques est un enjeu majeur de la politique de santé environnementale. Ill existe aujourd’hui une demande pour un capteur bon marché et simple d’utilisation permettant de mesurer en temps réel de faibles concentrations de formaldéhyde. La stratégie adoptée au LFP consiste à développer des capteurs chimiques innovants à partir de matériaux de silice poreuse. Le procédé sol-gel est utilisé afin de déposer des couches minces de silice (xérogels) de grande surface spécifique (400 - 600 m2. G-1), soit la surface d’un terrain de tennis, déposé sur un substrat transparent de 1cm². Ceci permet le piégeage par adsorption d’un grand nombre de molécules de polluant. Le dopage des matrices par des réactifs organiques permet d’assurer la sélectivité des capteurs : le Fluoral-P est utilisé comme dopant pour la détection sélective du formaldéhyde, et l’hydralazine, non sélective, pour la détection des aldéhydes totaux. Dans le cas du formaldéhyde, le Fluoral-P réagit sélectivement pour former la Dihydro-Diacétyl-Lutidine (DDL), qui est un produit fluorescent. Un prototype de démonstration à été conçu et automatisé au laboratoire et mesure l’absorption et la fluorescence des couches sensibles en temps réel à l’aide d’un spectrophotomètre miniature. Lors de l’exposition d’une couche sensible à un flux de gaz à analyser la vitesse d’apparition de la fluorescence permet de quantifier en moins de cinq minutes la concentration en formaldéhyde avec une sensibilité inférieur à 0,4 ppb. L’étude de la réponse du capteur en fonction des paramètres critiques à été effectuée. La calibration du capteur à été réalisée en fonction de la concentration en polluant, de la température et de l’humidité relative. Il est ainsi possible d’effectuer des mesures avec un temps de réponse inférieur à 3 minutes dans une gamme d’humidité relative de 0 à 70 % et une gamme de concentrations de formaldéhyde de 0,4 à 160 ppb. L’utilisation d’un filtre desséchant permet d’élargir la gamme de mesures à 100% d’humidité relative. Un mode d’exposition pulsé du capteur à été développé et consiste à exposer plusieurs fois une même couche sensible à des périodes répétées de 3 minutes sous flux. Ce mode permet de réaliser 40 mesures par couche sensible, soit un suivi de la concentration en formaldéhyde en air réel sur 7 heures avec une fréquence de mesure de 10 minutes. Ces résultats ont été validés lors de différentes campagne d’intercomparaison, dont une menée en 2008 à l’Institut National de L’Environnement et des Risques Industriels. Nous avons ainsi démontré qu’il est possible de suivre les variations quotidiennes de la concentration en formaldéhyde en air réel. L’appareil peut mesurer des pics de pollution sur de faibles durées inférieures à 2 minutes et la possibilité de réaliser 40 mesures avec le même échantillon réduit considérablement le coût pour les utilisateurs. Par ailleurs, comparativement aux capteurs commerciaux utilisant des solutions réactives, l’utilisation d’échantillons solides facilite considérablement la manipulation du capteur. Nous avons également étudié plus en détail le rôle de l’interférent majeur qui est la vapeur d’eau. En effet, le Fluoral-P est une molécule sonde qui réagit avec l’eau et est hydrolysée au contact de l’humidité. Une ingénierie de matrices hydrophobes à donc été mise en place, avec la synthèse de xérogels de silice dopés de co-précurseurs hydrophobes (méthylés et fluorés). Nous avons montré que cette ingénierie permet de limiter la diffusion de l’eau dans les couches sensibles et augmente ainsi la durée de vie des capteurs passifs d’un facteur 30. Par ailleurs, nous avons montré que les propriétés du Fluoral-P en font une sonde efficace pour mesurer la perméation de la vapeur d’eau dans les matériaux poreux. Une nouvelle méthode de caractérisation de l’hydrophobie vis à vis de l’eau gazeuse a ainsi été élaborée, utilisant la mesure de la durée de demi-vie du Fluoral-P dans les matériaux mis sous atmosphère humide. Les résultats obtenus sur 5 échantillons sont cohérents et complémentaires avec les caractérisations classiques de l’hydrophobie à l’eau gazeuse (angle de contact et mesure thermogravimétrique). Il est apparu que des matériaux très hydrophobes peuvent être imperméables à l’eau liquide, mais demeurent perméable à l’eau gazeuse et notre méthode de caractérisation, utilisant l’hydrolyse du Fluoral-P, permet de quantifier cette perméabilité
During the last decade, the increase of the awareness of the importance of indoor air quality and its potential impact on human health has stimulated an interest in formaldehyde, a carcinogen for humans. Because of its numerous emission sources (plywood, isolation foam, adhesive resins, cosmetic, etc…), CH2O is a ubiquitous indoor pollutant whose concentrations can vary from a few ppb to more than 100 ppb in homes. Over this domain of concentration, a few methods are commercially available, such as gas chromatography combined with a methanation process or the Hantzsch method involving the bubbling of the contaminated air in a liquid reactant. However, those sensors have a few drawbacks in terms either of simplicity of the sampling, heavy maintenance or high cost and high cost of consumables. Therefore, the development of a low-cost, fast and sensitive sensor which can detect a wide range of concentration of formaldehyde is an important and significant challenge. The present thesis work was achieved in the “Chemical Sensors” team of the Francis Perrin Laboratory (LFP), a unit of the Atomic Energy Commission (CEA) associated with the National Centre of Scientific Research (CNRS). Various strategies were developed to obtain very sensitive and selective sensors. With nanoporous SiO2 thin layers deposited on quartz substrate, acting as a sponge to trap the pollutants and whose pore size distribution can be tailored to filter the pollutants by their size, a first selectivity can be obtained. These nanoporous materials were synthesized with tetramethoxysilane precursors (TMOS) using the Sol-Gel process. With the use of 4-amino-3-pentene-2-one (Fluoral-P), which absorbs in the UV and which reacts selectively with formaldehyde, a product, the 3,5-diacetyl-1,4-dihydrolutidine (DDL) is obtained which absorbs and fluoresces over the visible region. By collecting the DDL fluorescence, it is possible to detect CH2O over a wide range of concentrations, from 400 ppt to 200 ppb. A home-made prototype was developed which comprises four units: the light source composed of a light emitting diode (LED, 410 nm) with its power supply, a flow cell unit equipped with a micro-pump, a detection unit equipped with a miniaturized spectrometer from Ocean Optics and a computer to drive the experiments. The prototype response was studied as functions of the formaldehyde concentration, under various conditions of flow rate, exposure duration, temperature (5-50 °C) and relative humidity (0-70 %) and the calibration curves were established. With a pulsed-mode detection implying 2 to 3 minutes of exposure of the sensor to the pollutant, 40 measurements can be collected with a single sensitive layer. As water vapor was found to be the major interference in the formaldehyde detection, we have explored three main routes to reduce or suppress the effect of humidity: i) the replacement of Fluoral-P by a more hydrophobic derivative, the 4-Amino-4-phenylbut-3-en-2-one, ii) the potentiality of various hydrophobic porous xerogel monoliths and thin films to be water-repellent and iii) the addition of a drying unit. Few methylated (Methyltrimethoxysilane) and fluorinated (3,3,3-Trifluoropropyltrimethoxysilane) alcoxide co-precursors were combined in various proportions with TMOS to give materials with different hydrophobicity properties. We have shown via contact angle measurements and thermo-gravimetric analyses that fluorinated xerogel monoliths and thin films display the most hydrophobic character since the water droplets does not diffuse into the matrix. However, their permeability to water vapor is totally different. To scale the permeability of porous material to water vapor, we proposed a new and original method based on the quantitative measurement of the lifetime of a probe molecule, Fluoral-P, trapped in the matrix and which is hydrolyzed in humidified atmosphere. With this method, we not only demonstrated that the fluorinated xerogels, repellent to liquid water, still display permeability to water vapour, but also could quantify the efficiency of those materials to slow down the water vapor diffusion. Finally, the addition of a drying CaCl2 unit to trap water vapor allows the use of the sensor over the entire domain of humidity up to 100 %. During this work, we have participated to two campaigns of measurements of formaldehyde. The first one taking place in the south suburb of Paris involved four laboratories and the measurement of outdoor pollutants, with formaldehyde content as low as 400 ppt to few ppb and high humidity (60 %). The second one, organized by the Institute of National Institute of Environment and Industrial Risks was dedicated to the inter-comparison of both commercial apparatus and methods under development in laboratories. Moreover, a collaboration has been established with the CEA-LETI of Grenoble for the fabrication of an industrial prototype, INDIGO, whose performances are under investigation

Il est bien connu que la résonance de plasmon de surface (SPR) d'une onde électromagnétique de surface peut être utilisée en tant que sonde optique sensible à de faibles variations intervenant à l'interface métal/diélectrique. La configuration de Kreschmann basée sur un prisme est traditionnellement employée pour exciter et détecter le phénomène SPR. En 1993, le premier capteur SPR à fibre optique a été réalisé par R. C. Jorgenson et S. S. Yee et a été ensuite commercialisé par la société Biacore (Suède). Le capteur SPR à fibre optique présente un certain nombre d'avantages sur le système Kreschmann tels que sa faible taille, son faible coût et la possibilité de détection déportée. Un capteur SPR à fibre optique multimodale plus simple, utilisant l'injection oblique d'une lumière monochromatique collimatée, a été développé au laboratoire TSI de l'université Jean-Monnet de Saint-Etienne, en 1996. Utilisant l'argent pour induire le phénomène SPR d'une lumière à la longueur d'onde 670 nm, le capteur à fibre optique est un réfractomètre fonctionnant dans la gamme d'indice optique 1,35-1,40. Ce mémoire de thèse est constitué de cinq articles visant à développer ce type de capteur à fibre optique pour les applications physique, chimique et biologique. Le premier article traite de la modification de la gamme d'indice mesurable, afin d'être capable de fonctionner dans des systèmes chimiques et biologiques, dont les indices de réfraction sont compris entre 1,33 et 1,36. Les relations entre les paramètres de structure et de matériau, de la configuration multicouche pour l'excitation du SPR, ont été déduites de la théorie. La technique sol-gel est utilisée pour fabriquer un revêtement d'acétate de zirconium de quelques dizaines de nanomètres. La fiabilité est augmentée par une protection constituée d'une monocouche auto-assemblée de thiol longue chaîne qui empêche l'oxydation de l'argent. Ce premier article a été soumis à la revue Thin Solid Films. Les variations spatiales du vecteur champ électrique au cours de la propagation des rayons non méridiens dans la fibre multimodale sont étudiées dans le second article accepté pour publication dans la revue Sensors and Actuators A. Un modèle 3D précis a été établi permettant d'expliquer le phénomène expérimental observé sur l'influence de la direction de polarisation de la lumière incidente par rapport à la face d'entrée de la fibre. Les signaux du capteur provenant de l'adsorption d'une très fine couche diélectrique sur la surface du métal ou d'une très faible variation de l'indice de réfraction dans le milieu de mesure peuvent alors être interprétés quantitativement. L'article suivant, accepté pour publication à la revue Applied Optics, propose une méthode directe pour déterminer l'épaisseur et les constantes optiques d'un film mince de métal déposé sur le cœur de la fibre, par simple mesure de la réponse du capteur à fibre optique. L'intérêt de ce travail vient des difficultés rencontrées dans la caractérisation des films métalliques avec des surfaces courbes en utilisant des techniques optiques conventionnelles telles que la réflectométrie et l'ellipsométrie. Un nouveau moyen optique capable de suivre in-situ la formation d'une monocouche auto-assemblée d'alkylthiol est présenté dans le quatrième article, soumis au Journal of Chemical Physics. L'application de la technique SPR à fibre optique pour étudier les monocouches auto-assemblées, l'observation directe et la description du phénomène d'inclinaison des chaînes lors de l'auto-assemblage de la monocouche d'alkylthiol, à notre connaissance, n'a jamais été rapporté auparavant dans la littérature. La bonne sensibilité observée montre que notre approche du système à fibre optique est plus adaptée que l'ellipsométrie et que le système SPR à prisme pour suivre les variations sur la totalité d'un film diélectrique. Le dernier article, soumis au Japanese Journal of Applied Physics, est consacré au développement d'un biocapteur basé sur le système à fibre optique pour suivre des interactions entre biomolécules. Avec une très simple configuration, cet immunocapteur a montré de bonnes performances en sensibilité et en spécificité, comparé à l'appareil commercialisé par Biacore qui est beaucoup plus complexe et cher. Ce travail constitue un excellent départ vers le développement d'une immunosonde pour des immunoessais sans marqueur. Ces cinq articles sont indépendants mais complémentaires l'un de l'autre. Les conditions pour lesquelles le SPR peut être excité sur une géométrie multicouche, obtenues dans le premier article, fournissent une base théorique pour le choix de la longueur d'onde de la lumière ou pour la gamme d'indice du milieu environnant lorsque l'or est utilisé et se retrouve dans les autres articles. Les études du modèle 3D précis, présenté dans le second article, pour simuler les performances des capteurs à fibre optique, permettent ensuite de caractériser le film métallique (dans le troisième article), la couche chimique adsorbée (dans le quatrième article) et les couches biomoléculaires (dans le cinquième article). De plus, la mesure des propriétés du film métallique dans le troisième article, permet de détecter avec succès, la monocouche auto-assemblée d'alkylthiol adsorbée sur la surface du métal (en référence au quatrième article). Les déterminations des caractéristiques du film d'or et de la couche de thiol sont nécessaires pour caractériser le film d'anticorps et la couche d'anticorps-antigène après la réaction d'affinité. Un biocapteur basé sur un système SPR à fibre optique a donc été réalisé et est présenté dans le cinquième article. Ce biocapteur a été conçu, élaboré et caractérisé couche par couche
It is well known that surface plasmon resonance (SPR) of the surface electromagnetic wave can be used as a sensitive optical probe to the slight variations occurring in the proximity of the metal/dielectric interface. The prism-based Kretschmann configuration is traditionally employed to excite and detect the SPR. In 1993, the first fiber-optic based SPR sensor was realized by R. C. Jorgenson and S. S. Yee and then commercialized by Biacore Company (Sweden). The SPR fiber-optic sensor offers a number of advantages such as small size, low cost and feasibility in remote sensing over the bulk Kretschmann System. A simpler SPR multimode fiber-optic sensor using oblique injection of the collimated monochromatic light has been developed at the TSI laboratory, Jean Monnet University in Saint-Etienne, France since 1996. Using silver to support SPR at the light wavelength of 670nm, this fiber-optic sensor was characterized as a refractometer operating in the index range of 1. 35-1. 40. This dissertation consists of five articles aimed to develop this kind of fiber-optic sensor for physical, chemical and biological applications. The first article is devoted to drop down the range of measurable indices in order to be capable of performing in most practical chemical and biochemical Systems whose refractive indices are 1. 33-1. 36. The relations between the structural and material parameters of the multilayered configuration for the excitation of SPR at certain wavelength have been theoretically derived. Sol-gel technique is applied to fabricate the Zirconium acetate overlay as thin as some ten nanometers. The reliability is improved by preventing the oxidation of silver using a self-assembled monolayer (SAM) of long chain acid thiol. This article has been submitted to Thin Solid Films. Accepted by Sensors & Actuators A, the spatial variations of the electric field vector during the propagation of the skew rays in the multimode fiber are investigated in the second article. An accurate 3D model has been established so that the experimental phenomena, which first demonstrate the influences of the polarization direction of the incident light with respect to the input end face of the fiber, can be consistently explained. The sensing signals coming from such as the adsorption of a very thin dielectric layer on metal surface or the slight variation of the refractive index in the monitored bulk medium are ready to be quantitatively interpreted. Next article, accepted for publication by Applied Optics, proposes a direct method to determine the thickness and the optical constants of the thin metal films deposited on the surface of the fiber core by simple measurements of fiber-optic SPR responses. The significance of this work cornes from the difficulties in characterizing the metal films with curved surfaces by using the conventional optical techniques such as reflectometry and ellipsometry. A novel optical means capable of monitoring the formation process of the alkylthiol SAM is presented in the fourth article, submitted to Journal of Chemical Physics. The application of the fiber-optic SPR technique to study SAMs and the direct observation and description of the tilting process during the self-assembly of alkylthiol, to our knowledge, have never been reported before in the literature. The rather high sensitivity proves that our fiber-optic approach is more adapted than ellipsometry and the prism-based SPR System to monitor the variations over entire investigated dielectric film. Last article, submitted to Japanese Journal of Applied Physics, is dedicated to develop a biosensor based on this fiber-optic arrangement to monitor the biomolecular interaction. With very simple configuration, this immunosensor has manifested good performances in both sensitivity and specificity compared to the commercialized BIACORE Probe that is much more complex and expensive. This work makes a starting progress towards the development of a portable immunoprobe for non-labeling immunoassay. These five articles are independent as well as supplementary each other. The conditions on which the SPR can be excited in a multilayered geometry, obtained in the first article, provide a theoretical basis for the choice of light wavelength or the index range of environment medium while metal gold is used as it can be seen in other articles. The studies of the accurate 3D model in the second article for simulating the performances of the fiber-optic sensors enable to characterize afterwards the metal film (in the third article), the chemical adsorbed layer (in the fourth article) and the functional biomolecular layers (in the 5th article). Moreover, the successful measurement of the metallic film properties in the third article ensures the success in the detection of the alkylthiol SAM, which is adsorbed on the metal surface (referred to the fourth article). Furthermore, the determinations of the gold film and the thiol layer are necessary for characterizing the antibody film and the antibody-antigen-binding layer after the affinity reaction. As a result, a new SPR multimode fiber-optic biosensor has been realized and reported in the 5th article. This biosensor has been well designed, elaborated and characterized at the level of its each layer

La miniaturisation des composants électroniques conduit aujourd'hui au développement de capteurs ultra-sensibles. En particulier, les capteurs NEMS (systèmes électromécaniques nanométriques) ont maintenant une sensibilité suffisante pour détecter des molécules uniques. Ceci permet d'intégrer ces capteurs dans des dispositifs de spectrométrie de masse dont la particularité sera d'opérer en mode comptage de molécules uniques. Notre travail consiste à reconstruire le spectre de masse de la solution analysée à partir des signaux fréquentiels délivrés par les NEMS. Nous nous plaçons dans le cadre des approches problèmes inverses et des méthodes d'inférence bayésienne. Nous modélisons le système de mesure qui lie les inconnues aux signaux observés par un modèle graphique hiérarchique et nous introduisons un modèle de signal de type processus ponctuel marqué. Nous le comparons à un modèle de type processus à temps discret. Nous mettons en place un algorithme de déconvolution impulsionnelle intégrant une exploration de modèles qui réalise la détection des molécules analysées, l'estimation de leur masse et le comptage, afin de reconstruire le spectre de masse de la solution analysée. Nous présentons des résultats sur données simulées et sur des données expérimentales acquises au CEA/INAC sur des agrégats de Tantale en utilisant des capteurs NEMS développés au CEA-Leti/DCOS. Relativement aux méthodes de l'état de l'art, la méthode que nous proposons améliore le taux de comptage tout en gardant un taux de fausses détections suffisamment bas. Notre méthode délivre également les incertitudes sur les paramètres reconstruits. Enfin, nous développons le cas particulier de la reconstruction de spectres de masse discrets.