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Multiphoton coincidence camera with high temporal resolution

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Un capteur monophotonique super rapide préfigure peut-être une nouvelle génération de techniques d’imagerie

De nouveaux domaines scientifiques ont besoin de caméras plus rapides pour capturer des images à des résolutions spatiales et temporelles plus élevées. Le projet gammaCam a permis de créer un prototype de caméra capable d’enregistrer des données à une résolution monophotonique.

Technologies industrielles

Les photons individuels constituent la plus petite entité de lumière. Être capable de détecter la lumière à un tel niveau de précision offre une sensibilité extrême en matière d’imagerie. Mais surtout, le fait de pouvoir mesurer exactement le moment où un photon est détecté, après avoir été réfléchi ou émis par un objet, donne des informations importantes concernant cet objet. Ces informations sont essentielles, par exemple pour déterminer la spécificité chimique quand on fait de l’imagerie en temps de vie de fluorescence. Par ailleurs, être en mesure de détecter des corrélations spatio-temporelles entre les photons individuels ouvre la voie à de nouveaux dispositifs d’imagerie améliorant la résolution de l’imagerie traditionnelle. Le projet gammaCam, soutenu par l’UE, a démontré les capacités de deux capteurs d’imagerie CMOS en laboratoire, avant d’en intégrer un dans un prototype de caméra. Cette caméra est capable d’enregistrer les photons dans les 200 picosecondes qui suivent leur arrivée au niveau du détecteur, ce qui permet d’obtenir une résolution étonnante. «Outre le fait de renforcer les acquis techniques développés au cours d’un projet précédent, nous avons quantifié les ressources nécessaires à une production à petite échelle et mené des études de marché concernant les applications les plus prometteuses», explique André Stefanov, coordinateur du projet à l’université de Berne, qui en est l’hôte.

Fabriquer le détecteur idéal

Même si cette technologie d’imagerie a récemment réalisé des progrès significatifs, elle continue à dépendre de la détection de l’intensité lumineuse moyenne de chaque pixel pendant la durée d’exposition de la caméra. Les caméras traditionnelles ne peuvent ainsi enregistrer que les fluctuations lumineuses plus lentes que la durée requise pour capturer une image, qui est généralement de l’ordre de la milliseconde. Il s’agit d’un point essentiel, car le fait de pouvoir mesurer les fluctuations de l’intensité lumineuse fournit des informations supplémentaires précieuses sur les objets étudiés. «Un appareil d’imagerie idéal enregistre à la fois le temps de détection et la position de chaque photon individuel dans un faisceau de lumière éclairant un objet», explique André Stefanov. «Ces informations spatio-temporelles sont essentielles pour de nombreuses techniques d’imagerie telles que l’imagerie temps de vol ou l’imagerie corrélée.» Les caméras à obturateur sont disponibles avec des durées d’exposition de l’ordre de la nanoseconde mais, outre leur prix élevé, elles ne peuvent pas détecter les photons arrivant à différents moments et s’avèrent donc incapables de capturer l’intégralité des informations spatio-temporelles. GammaCam a poursuivi le développement de deux capteurs destinés à l’imagerie quantique qui avaient été conçus dans le cadre du projet SUPERTWIN. Ces capteurs exploitent les réseaux d’un photodétecteur connu sous le nom de «diode à avalanche monophotonique» (SPAD pour single-photon avalanche diode), qui enregistre le temps de détection de chaque photon avec une précision inférieure à la nanoseconde. SuperEllen a une définition de 32 x 32 pixels, tandis que celle de SuperAlice est de 224 x 272. SuperAlice constitue également un capteur polyvalent capable d’enregistrer le temps de détection des photons, ou simplement se contenter de les compter. Pour que SUPERTWIN poursuive son évaluation de la corrélation spatiale à partir de la lumière quantique, les deux capteurs ont été testés avec des paires de photons intriqués. «C’était très enthousiasmant de voir les premières mesures de lumière quantique. Ça l’était d’autant plus que, contrairement à ceux de SuperEllen, les nombreux pixels de SuperAlice ont également permis une caractérisation plus précise de la lumière quantique grâce à l’observation des corrélations à longue distance entre les photons», ajoute André Stefanov.

Toute une gamme d’applications

C’est dans le domaine des microscopes avancés que ces réseaux SPAD trouveront leurs applications les plus probables, pour l’étude des processus moléculaires fondamentaux en médecine. «Nos capteurs pourraient améliorer des méthodes déjà établies, comme la microscopie à nappe de lumière, ou aider à développer de nouvelles méthodes et de nouveaux marchés. Pour cela, nous devons continuer à identifier la gamme complète de mesures qu’ils permettent d’effectuer de manière exclusive», conclut André Stefanov. Le prototype de caméra est transportable et, comme il est relativement simple à installer dans les systèmes optiques actuels, il peut déjà être utilisé pour mener des expériences. Bien que le capteur SuperAlice puisse être produit en série par la même fonderie que le prototype LFoundry, il reste encore à l’intégrer dans une caméra conviviale pour le commercialiser auprès d’un plus grand public.

Mots‑clés

gammaCam, photon, capteur, imagerie, résolution, CMOS, caméra, microscope, lumière, picosecondes

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