Etudes théorique et expérimentale du suivi de particules uniques en conditions extrêmes : imagerie aux photons uniques

Theorical and experimental study of single particle tracking in extreme conditions : single photon imaging

• Auteur / Autrice : Thomas Cajgfinger
• Direction : Rémi Barbier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/10/2012
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Dujardin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maxime Dahan, Christophe Place
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jérôme Baudot, Xavier Michalet
• DOI : 10.70675/bd7ac9e0z2708z4295z8067z5a978f570de1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs d'images CMOS

Détecteurs de photons

Filtrage de Kalman

Mots clés libres

Détecteur de photons uniques

CMOS

Flux de photons

Single-photon detector

CMOS

Photon flux

Résumé

Ce manuscrit présente mon travail de thèse portant sur le détecteur de photons niques electron-bpmbarded CMOS (ebCMOS) à haute cadence de lecture (500 images/seconde). La première partie compare trois détecteurs ultra-sensibles et leurs méthodes d'amélioration de la sensibilité au photon : le CMOS bas bruit sCMOS), l'électron-multiplying CCD (emCCD) à multiplication du signal apr pixel et l'ebCMOS à amplification par application d'un champ électrique. La méthode de mesure de l'impact intra-pixel des photons sur le détecteur ebCMOS est présentée. La seconde partie compare la précision de localisation de ces trois détecteurs dans des conditions extrêmes de très bas flux de phtons (<10 photons/image). La limite théoriques est d'abord calculée à l'aide de la limite inférieure de Cramér-Rao pour ces jeux de paramètres significatifs. Une comparaison expérimentale des trois détecteurs est ensuite décrite. Le montage permet la création d'un ou plusieurs points d'accès contrôlés en position, nombre de photons et bruit de fond. Les résultats obtenus permettent une comparaison de l'efficacité, de la pureté et de la précision de localisation des sources. La dernière partie décrit deux expériences réalisées avec la caméra ebCMOS. La première consiste au suivi des nano-cristaux libres (D>10 µm2/s) au centre Nanoptec avec l''équipe de Christophe Dujardin. La seconde s'intéresse à la nage de bactéries en surface à l'Institu Joliot curie avec l'équipe de Laurence Lemelle. L'algorithme de suivi de sources ponctuelles au photon unique avec l'implémentation d'un filtre de Kalman est aussi décrit.

This manuscript presents my thesis on the high frame rate (500 frames/second) single-photon detector electron-bombraded CMOS (ebCMOS). The first section compares three ultra-sensitive detectors and their methods for improving photon sensitivity : the CMOS low noise (sCMOS), the electron-multiplying CCD (emCCD) with signal multiplication by pixel and the ebCMOS with amplification by applied electric field. The method developped to detected single photon impacts with intra-pixel resolution on the ebCMOS sensor is presented. The second section compares the localization accuracy of these detectors in extreme conditions of very low photon flux (<10 photons/ frame). First the theoretical limit is calculated using the Cramér-Rao lower bound for significant parameter sets. An experimental comparaison of the detectors is then described. The setup provides of one or more point sources controlled in position, signal and background noise. The results allow a comparison of the experimental effectiveness, purity and localization accuracy. The last section describes two experiments with the ebCMOS camera. The first aims to track hundreds of quantum dots simultaneously at the Nanoptec center with the team of Christophe Dujardin. The second focuses on the swimming of bacteria at the surface at the Jolio Curie Institute with the team of Laurence Lemelle. The point sources tracking algorithm using single photons and the Kalman filter implementation developed for these experiments is alson described.