La technologie en constante évolution des détecteurs alliée au grand choix de matériaux et de méthodes de détection permettent de satisfaire la plupart des besoins de détection de la lumière à l'aide de systèmes relativement simples. Dans le même temps, la profusion de choix possibles peut compliquer la sélection du système adéquat.
Ne regardez que ce que vous voulez voir
C'est le principal thème de cette section, dans laquelle nous abordons le sujet de la réduction de l'influence du bruit. Ce dernier est compris dans son sens le plus large, c'est à dire toute contribution qui affecte notre capacité à obtenir des mesures satisfaisantes.
Les suggestions qui suivent peuvent paraître triviales mais nous les publions cependant, tant nous sommes étonnés de voir avec quelle fréquence nous oublions de conduire cette simple analyse avant toute mise en œuvre d'une nouvelle expérience.
La figure 1 illustre ce thème à l'aide d'un graphique décrivant les 4 critères à utiliser pour sélectionner la meilleure combinaison de caractéristiques entre le signal et la réponse des détecteurs. Ces schémas seront similaires si l'abscisse indique :
- Longueur d'onde
- Bande passante
- Temps
- Champ de vision
Cette figure montre plusieurs mauvaises options, un bon choix et "le meilleur" choix.
Longueur d'onde
La sensibilité du détecteur doit couvrir la gamme de longueur d'onde de votre signal. Si la gamme de longueur d'onde de sensibilité du détecteur dépasse celle du signal, tout rayonnement hors de la plage du signal contribuera au bruit. Utilisez un filtre passe-bande pour réduire la gamme de longueurs d'onde vues par le détecteur. Si les plages du détecteur et du signal se manquent partiellement, une partie des informations sur le signal sera perdue. Les “bon” et “meilleur” choix de la figure 1 illustrent une capture intégrale des informations sur le signal, avec une discordance de longueur d'onde contribuant peu ou pas du tout au bruit du système.
Figure 1 : Exemples de mauvaises et bonnes sélections de sensibilité de réponse du détecteur par rapport au signal.
Bande passante
La bande passante de fréquence est le facteur le plus souvent ajusté dans les efforts de réduction du bruit. Cela s'explique par le fait qu'elle correspond explicitement aux équations de bruit sous la forme
(BANDE PASSANTE)1/2
ce qui nous est rappelé par la fréquente apparition de l'expression Hz-1/2 dans le champ unités des contributions sonores de bruits blancs indépendants de la fréquence. Cela vaut pour les bruits de Johnson et les bruits de grenaille. Augmenter la fréquence pour réduire le bruit 1/f est une autre méthode de contrôle de la bande passante. Les méthodes de détection AC, abordées plus en détails page suivante, tirent parti des diverses formes de filtres électroniques et numériques pour adapter la bande passante de détection au spectre de fréquence représentant le taux de modification du signal utile. Les méthodes AC sont particulièrement avantageuses dans la région infrarouge du spectre, en raison de la quantité importante de fonds parasites.
Temps
Des événements spécifiques peuvent se produire à des intervalles et pour des durées spécifiques. Il existe plusieurs techniques destinées à créer pour la première fois ce comportement périodique, s'il ne se produit pas de lui-même, puis à l'utiliser pour améliorer le rapport signal à bruit. Il est important que la fréquence de signal caractéristique soit aussi différente que possible des modulations de fréquence naturelles des sources de bruit (les fréquences de ligne 60 ou 50 Hz et leurs harmoniques sont notoires). On utilise fréquemment des hacheursvoir Hacheurs optiques Oriel et des sources modulées électroniquement. Parmi les "bonnes" modulations de fréquence, citons 30 Hz (25 Hz), 90 Hz (75 Hz), etc. Des modulations de fréquence plus élevées sont requises pour mesurer les signaux caractérisés par des changements rapides. Les méthodes de détection AC de bande passante étroite, parmi lesquelles la technique lock-in est la plus communément utilisée, sont utilisées pour tirer profit de la modulation du signal. On utilise des moyenneurs ou intégrateurs à déclenchement périodique pour améliorer le rapport signal à bruit lors de mesures sur des sources impulsionnelles.
Des événements spécifiques peuvent se produire à des intervalles et pour des durées spécifiques. Il existe plusieurs techniques destinées à créer pour la première fois ce comportement périodique, s'il ne se produit pas de lui-même, puis à l'utiliser pour améliorer le rapport signal à bruit. Il est important que la fréquence de signal caractéristique soit aussi différente que possible des modulations de fréquence naturelles des sources de bruit (les fréquences de ligne 60 ou 50 Hz et leurs harmoniques sont notoires). On utilise fréquemment des hacheursvoir Hacheurs optiques Oriel et des sources modulées électroniquement. Parmi les "bonnes" modulations de fréquence, citons 30 Hz (25 Hz), 90 Hz (75 Hz), etc. Des modulations de fréquence plus élevées sont requises pour mesurer les signaux caractérisés par des changements rapides. Les méthodes de détection AC de bande passante étroite, parmi lesquelles la technique lock-in est la plus communément utilisée, sont utilisées pour tirer profit de la modulation du signal. On utilise des moyenneurs ou intégrateurs appliqués à travers une porte pour améliorer le rapport signal sur bruit lors de mesures sur des sources impulsionnelles.
Champ de vision
Il s'agit d'un critère très important pour les détecteurs infrarouge. Dans la mesure où les objets à température ambiante émettent des photons infrarouges, particulièrement autour de 10 mm, il convient de réduire le champ de vision pour recevoir en priorité les rayonnements émanant de la source d'intérêt. Il convient de recourir à l'imagerie et à l'ouverture, car ces efforts vous permettront d'obtenir des résultats satisfaisants et reproductibles.
Techniques générales de réduction du bruit
Contrôle de la température
Tous les détecteurs et les composants électroniques relatifs aux signaux présentent des caractéristiques de bruit et de sensibilité de réponse dépendant de la température. Vous obtiendrez des résultats plus reproductibles si vous stabilisez l'environnement thermique de votre expérience. En général, vous améliorerez vos limites de détectivité en refroidissant votre détecteur afin qu'il fonctionne à une température plus basse que celle de la pièce. Le degré de gain en performance dépend du type de détecteur et des composants électroniques post-détection. Toutefois, vous obtiendrez de meilleurs résultats avec les détecteurs refroidis de photons, qui répondent à la région infrarouge du spectre. Les courants d'obscurité diminuent d'un facteur de 2 tous les 5 à 20 °C, en fonction de l'énergie caractéristique du système, comme par exemple la bande interdite.
Rapports
Aucune source n'est parfaitement stable. A chaque fois que cela est possible, rapportez votre signal de réponse à celui de la source afin d'obtenir les résultats les plus précis.
Techniques AC
Il peut sembler étonnant d'utiliser des techniques AC pour mesurer des signaux continus, mais c'est pourtant, dans la pratique, le meilleur moyen. Vous pouvez encoder votre signal avec une modulation connue puis utiliser cette modulation caractéristique pour le distinguer de la contribution du bruit dispersant sa puissance sur une gamme de fréquence différente et plus large.
Un amplificateur à couplage AC équipé d'un filtre à bande étroite centré sur la fréquence de modulation vous aidera à augmenter de façon significative votre rapport signal sur bruit. Vous ne pouvez réduire la fréquence du filtre passe-bande qu'à la limite de stabilité de votre modulateur. Si la contribution du bruit est encore trop importante, vous devrez recourir aux techniques de lock-in. Ces dernières impliquent que l'amplificateur suive activement la fréquence du modulateur, ce qui permet d'utiliser un filtrage de bande bien plus étroit. Nous effectuons une grande partie de ce filtrage dans la fonction numérique de notre système radiométrique Merlin™, éliminant ainsi les dérives de phase et d'amplitude associées aux lock-in analogiques plus anciens.
Intégration et moyennage fenêtrés
Ces techniques tirent leur nom de l'allure des représentations illustrées du procédé, figure 2. Les portes, boîtes ou "fenêtres" sont utilisées pour définir les périodes pendant lesquelles les composants électroniques acquièrent le signal. Pendant ces périodes "fenêtrées", le rapport signal sur bruit est déjà amélioré, puisque les contributions du bruit qui seraient accumulées pendant les pauses n'existent pas. Ce processus, lorsqu'il est répété pour N impulsions, contribuera à améliorer le rapport signal à bruit de N1/2 si le bruit est un bruit blanc, qu'il soit de Johnson ou de grenaille. Cela est dû au fait que la contribution au signal intégrée augmente parallèlement à N, tandis que la contribution du bruit n'augmente que de N1/2 .
Figure 2 : Signal répétitif et "fenêtre" de détection.Avertissement
Les détecteurs à couplage AC peuvent être affectés par une saturation continue (provenant du fond lumineux ambiant) et donc par une perte de linéarité. Vous devez donc connaître les limites de réponse en continu de votre détecteur lorsque vous utilisez le mode de fonctionnement en couplage AC.
Méfiez-vous des affaiblissements de fréquence. Les composants électroniques de post-détection limitent souvent la sensibilité de réponse de votre détecteur. Plusieurs bandes passantes peuvent être associées à un composant particulier, en fonction des gains sélectionnés.
Note technique
Méthodes empiriques
Il est impossible d'éliminer totalement le bruit de Johnson, mais il est possible de minimiser sa contribution au rapport signal sur bruit.
Dans un système de détection basé sur PMT, essayez de faire en sorte que le bruit de grenaille du courant polarisé soit le principal facteur de bruit AC. Faites en sorte que ce bruit soit au moins trois fois plus fort que le bruit de Johnson, et vous supprimerez efficacement l'influence du bruit de Johnson sur le rapport signal à bruit du système. En cas de faible luminosité, commencez par choisir votre gain transimpédance en fonction du maximum autorisé par les caractéristiques de bande passante. Relevez le bruit AC à la sortie du PMT avec zéro volt de polarisation (bruit de Johnson). Augmentez maintenant votre tension polarisée, en restant dans les limites de sécurité du tube, jusqu'à ce que le bruit de grenaille AC du courant d'obscurité soit environ trois fois supérieur au bruit de Johnson, ou soit équivalent à environ quatre fois le niveau de bruit d'une polarisation zéro. Vous êtes maintenant prêt à mesurer vos signaux avec un degré élevé de linéarité, puisque le bruit de grenaille et le signal du photon sont amplifiés avec les mêmes proportions dans la chaîne multiplicatrice d'électrons. Si vous avez l'intention de ne mesurer que de très faibles signaux, envisagez plutôt le comptage de photons.