FR2810186A1 - Dispositif d'imagerie comprenant une matrice de photodetecteurs, systemes de spectroscopie et procede d'imagerie correspondants - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif et un procédé d'imagerie, ainsi qu'un système de spectroscopie.Le dispositif d'imagerie comprend une matrice ligne-colonne (1) de photodétecteurs (4), chacun des photodétecteurs incluant un pixel (2) du type CMOS et un amplificateur (3) ayant un gain. Il comprend aussi des moyens de commande des gains, capables de fixer individuellement les gains pour chacun des photodétecteurs.Application à la spectroscopie, en particulier pour de l'émission atomique.
Description
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La présente invention se rapporte à un dispositif d'imagerie comprenant une matrice de photodétecteurs, ainsi qu'à un système
de spectroscopie et à un procédé d'imagerie correspondants.
Il est classique de faire de la spectroscopie en technologie ICP au moyen d'une matrice de photodétecteurs du type CCD. Il a également été proposé d'utiliser une matrice'de photodétecteurs du type CID, ce qui présente l'avantage d'un adressage direct et d'une
lecture non destructive.
Par ailleurs, des matrices de photodétecteurs fondées sur une technologie CMOS ont été mises au point. Chaque photodétecteur inclut alors un pixel du type CMOS et un amplificateur ayant un gain. Un exposé en est fait par exemple dans l'article " Active-pixel CMOS sensors improve their image " de la revue Laser Focus World, July 1999, pages 111-114. De telles matrices de photodétecteurs sont connues pour offrir différents avantages, notamment une lecture non destructive, un accès aléatoire, une grande tolérance aux rayonnements, une
faible consommation et une auto-synchronisation.
Cependant, les écarts de gain d'un pixel à un autre entraînent généralement une détérioration du rapport signal/bruit, connue sous le nom d'effet d'écran à fenêtre sale (Dirty-window screen
effect), exposée par exemple dans la référence citée ci-dessus.
C'est pourquoi différentes méthodes ont été développées pour réduire ou supprimer de telles variations de manière à uniformiser
le gain.
L'invention concerne un dispositif d'imagerie comprenant une matrice de photodétecteurs reposant sur une technologie CMOS, particulièrement adapté à la spectrométrie, en particulier pour des techniques d'émission atomique, telles que par exemple ICP,
SPARK ou GDS.
L'invention concerne également un système de spectroscopie
et un procédé d'imagerie ayant les avantages ci-dessus.
A cet effet, I'invention a pour objet un dispositif d'imagerie comprenant une matrice ligne-colonne de photodétecteurs, chacun des photodétecteurs incluant un pixel du type CMOS et un
amplificateur ayant un gain.
Selon l'invention, le dispositif comprend des moyens de commande des gains, capables de fixer individuellement les gains pour chacun des photodétecteurs. Ainsi, au lieu de chercher à uniformiser les gains comme dans les dispositifs connus, on exploite au contraire la différence de gains entre les photodétecteurs de façon à choisir chacun de
manière appropriée.
Préférentiellement, les moyens de commande sont prévus pour ajuster les gains en fonction des intensités détectées par ces photodétecteurs. Ainsi, on peut sélectionner des zones utiles d'un faisceau lumineux, en particulier d'un faisceau spectralement étalé, sans prendre en compte les autres zones. On peut également amplifier les intensités mesurées dans certaines zones utiles avec un gain élevé, lorsque ces intensités sont faibles par rapport à celles
mesurées dans d'autres zones.
Dans un autre mode de réalisation avantageux, les moyens de commande sont prévus pour fixer les gains avant toutes
mesures de faisceaux lumineux.
Le dispositif d'imagerie selon l'invention offre les avantages propres aux dispositifs d'imagerie à base de CMOS, c'est-à-dire: * lecture non destructive, avec la possibilité d'accumuler des charges sans saturation pour des lignes d'émission intense, * accès aléatoire, ce qui autorise une sélection directe des pixels visés et permet donc de minimiser le temps de mesure,
* bas niveau de bruit.
A ces avantages s'ajoute la capacité d'augmenter la plage dynamique grâce à la commande individuelle des gains, chaque photodétecteur constituant une unité en soi complète. On peut ainsi gérer indépendamment les temps sur les différents pixels, par une gestion simple et sans interférence entre les différents photodétecteurs. Le terme ligne-colonne ne doit pas être entendu comme limitant la matrice à une forme particulière, par exemple carrée, rectangulaire, ovoïde..., mais est introduit pour définir des axes de référence au sein de ladite matrice, lesdits axes étant dans un mode préféré perpendiculaires ou sensiblement perpendiculaires
entre eux.
Dans des modes de réalisation avantageux, pris séparément ou en combinaison: la matrice est composée d'au moins 256 pixels sur une colonne et au moins 100 pixels sur une ligne, À les photodétecteurs ont une largeur w comprise entre 3 pm et 25 pm. Par " largeur " d'un photodétecteur, on entend la dimension dans une direction perpendiculaire à des lignes d'adressage
auxquelles sont reliés les photodétecteurs.
L'invention a également pour objet un système de spectroscopie comprenant un dispositif selon l'invention, prévu pour recevoir un faisceau lumineux spectralement étalé, l'étalement spectral étant orienté selon les colonnes. En d'autres termes, la partie basse du spectre se trouve au début de la colonne et la partie haute du spectre à la fin de ladite colonne. On envisage également dans le cadre de l'invention que l'étalement soit orienté
selon les lignes.
L'invention concerne aussi un procédé d'imagerie dans lequel on envoie un faisceau lumineux sur une matrice de photodétecteurs, chacun des photodétecteurs incluant un pixel du
type CMOS et un amplificateur ayant un gain.
Selon l'invention, on fixe individuellement les gains pour
chacun des photodétecteurs.
Ce procédé diffère de ceux connus, dans lesquels on fixe les gains de tous les photodétecteurs de manière à ce qu'ils soient
aussi proches que possible d'une valeur de référence.
Dans un mode de mise en oeuvre avantageux, on ajuste les
gains en fonction des intensités détectées par les photodétecteurs.
Préférentiellement, le faisceau lumineux est spectralement étalé. L'invention concerne également l'application du système de spectroscopie de l'invention ou du procédé d'imagerie mettant en jeu un faisceau lumineux spectralement étalé à de l'émission atomique, préférentiellement choisie parmi une technique ICP,
SPARK ou GDS.
L'invention sera illustrée et mieux comprise au moyen d'un mode de réalisation et de mise en oeuvre nullement limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles: La Figure 1 représente une portion d'une matrice de photodétecteurs d'un dispositif d'imagerie conforme à l'invention, et La Figure 2 montre une courbe spectrale (intensité en fonction de la longueur d'onde) exploitée avec un dispositif
d'imagerie conforme à l'invention.
Un dispositif d'imagerie comprend une matrice 1 de photodétecteurs 4 répartie en colonnes 10, telles que les colonnes -1, 10-2 et 10-3 représentées sur la Figure 1. Chacune des colonnes 10 est associée à une ligne d'adressage 11, respectivement référencées 11-1, 11-2 et 11-3 pour les colonnes -1, 10-2 et 10-3, les lignes d'adressage 11 étant reliées à une
ligne centrale 12.
Chacun des photodétecteurs 4 comprend un pixel 2 associé à un amplificateur 3 individuel. Les photodétecteurs 4 ont une largeur w, dans une direction perpendiculaire à celle des lignes
d'adressage 11.
Les amplificateurs 3 produisent des gains variables selon les photodétecteurs 4. Dans un premier exemple de réalisation, les amplificateurs 3 produisent des grains fixés au départ. La matrice 1
est alors conçue en fonction des gains désirés.
Dans un autre exemple de réalisation, le dispositif d'imagerie comprend aussi des moyens de commande des gains, capables d'agir sur les amplificateurs 3 de manière à fixer individuellement les grains correspondants. Cette réalisation, plus complexe, permet
d'adapter le dispositif 1 aux faisceaux mesures.
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En fonctionnement, on envoie sur la matrice 1 de photodétecteurs 4 un faisceau lumineux spectralement étalé, par exemple dans la direction perpendiculaire aux lignes d'adressage 11. Le faisceau lumineux reçu a une courbe spectrale 20 (Figure 2), donnant l'intensité (axe 22) en fonction de la longueur d'onde (axe 21), qui présente par exemple des pics 24 de faible hauteur, des parties quasiment plates 25 et des pics 26 élevés. On peut ainsi distinguer des zones 34, 35 et 36 correspondant respectivement aux différents niveaux d'intensité (24, 25 et 26) de la courbe 20. Chacune de ces zones 34, 35 ou 36 couvre un ou
plusieurs photodétecteurs 4.
On choisit les gains des photodétecteurs 4 en.fonction des zones 34, 35 ou 36 correspondantes. Ainsi, si l'on s'intéresse aux pics 24 de faible hauteur (avec un niveau de seuil prédéfini), on choisit avantageusement des gains élevés pour les zones 34. Les zones 35 correspondant à des parties quasiment plates ne nécessitent pas de mesure, de telle sorte qu'on peut arbitrairement fixer le gain à 0 et ne pas tenir compte des informations provenant des photodétecteurs correspondants. Pour les zones 36 correspondant à des pics élevés, des gains relativement faibles suffisent. En choisissant les gains d'une telle manière appropriée, on peut obtenir une très bonne résolution avec un temps de mesure réduit. Dans le mode de réalisation o les gains sont tous fixés au départ, on doit connaître initialement les zones intéressantes de la courbe spectrale considérée et le niveau d'amplification nécessaire. En revanche, dans le mode de réalisation o les gains sont commandés en fonction de l'intensité, on ajuste ces gains
selon les faisceaux détectés.
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Claims (9)
1. Dispositif d'imagerie comprenant une matrice ligne-
colonne (1) de photodétecteurs (4), chacun des photodétecteurs (4) incluant un pixel (2) du type CMOS et un amplificateur (3) ayant un gain, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande desdits gains, capables de fixer individuellement lesdits gains pour chacun
des photodétecteurs (4).
2. Dispositif d'imagerie selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande sont prévus pour ajuster lesdits gains en fonction des intensités détectées par lesdits
photodétecteurs (4).
3. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications I ou
2, caractérisé en ce que ladite matrice (1) comporte au moins
256 pixels sur une colonne au moins 100 pixels sur une ligne.
4. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des
revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les photodétecteurs (4)
ont une largeur (w) comprise entre 3 pm et 25 pm.
5. Système de spectroscopie comprenant un dispositif selon
I'une quelconque des revendications 1 à 4, prévu pour recevoir un
faisceau lumineux spectralement étalé, l'étalement spectral étant
orienté selon les colonnes.
6. Procédé d'imagerie dans lequel on envoie un faisceau lumineux sur une matrice ligne-colonne (1) de photodétecteurs (4), chacun des photodétecteurs (4) incluant un pixel (2) du type CMOS et un amplificateur (3) ayant un gain, caractérisé en ce qu'on fixe individuellement lesdits gains pour
chacun des photodétecteurs (4).
7. Procédé d'imagerie selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on ajuste lesdits gains en fonction des intensités détectées
par lesdits photodétecteurs (4).
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8. Procédé d'imagerie selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le faisceau lumineux est spectralement étalé.
9. Application du système de spectroscopie selon la revendication 5 ou du procédé d'imagerie selon la revendication 8 à de l'émission atomique, préférentiellement choisie parmi une technique ICP, SPARK ou GDS.
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