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Photon etc.
Création 2003
Fondateurs Dr. Sébastien Blais-Ouellette
Personnages clés Dr. Sébastien Blais-Ouellette (président)
Dr. Marc Verhaegen (Vice-président, R&D)
Simon Lessard (Directeur de l'ingénierie électronique et logicielle)
Slogan Un spectre de solutions
Siège social Montréal
Drapeau du Canada Canada
Activité Imagerie biomédicale, nanotechnologie, contrôle qualité/tri industriel
Produits Caméras infrarouge, imageurs hyperspectraux, filtres passe-bande accordable
Effectif 15-25
Site web http://www.photonetc.com
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Photon etc. est une compagnie canadienne qui fabrique des systèmes d’analyse optique principalement basés sur une technologie d’imagerie hyperspectrale[1],[2],[3],[4],[5]. Photon etc. possède quatre lignes principales de produits: (1) sources laser et filtres accordables, (2) caméras infrarouges, (3) systèmes d’imagerie hyperspectrale grand champ, (4) systèmes de microscopie hyperspectrale. Ces instruments sont employés dans le domaine biomédical, en science des matériaux et dans le secteur industriel[6].

Historique

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Photon etc. a été fondé en 2003 par Sébastien Blais-Ouellette, alors chercheur post-doctoral au département d’astronomie du California Institute of technology (Caltech). Dr. Blais-Ouellette travaillait alors sur des filtres à base d’hologramme de volume[7], une alternative aux cavités Fabry-Perot et aux filtres acousto-optiques accordables pour la spectroscopie ou l’imagerie à bande étroite.

La compagnie a fait ses débuts à l'incubateur Joseph-Armand Bombardier de l'Université de Montréal où elle a bénéficié d'infrastructures complètes et d'une proximité avec divers chercheurs. Après cinq ans, Photon etc. s'est établi sur le campus des technologies de la santé (CTS) dans le quartier Rosemont à Montréal. L’entreprise, qui compte 25 employés et dispose d’un réseau mondial de distributeurs, a reçu plusieurs prix et distinctions: Entrepreneur de l'année québécois (finaliste)[8], Prix d’excellence en affaires France-Québec (gagnant)[9], Fondation Armand-Frappier (gagnant - prix émergence)[10], Prism Award (finaliste)[11]. Suite à ses développements et ses brevets, Photon etc. a licencié quelques-unes de ses technologies à Photonic Knowledge, Nüvü Caméras et Optina Diagnostics qui se concentrent respectivement sur l’exploration minière, les caméras EMCCD et l’imagerie rétinienne. En juin 2015, Photon etc. a accru son expertise en nanotechnologie en lançant une nouvelle division, Photon Nano, qui se spécialise dans la commercialisation de marqueurs Raman, fluorescents ou plasmoniques. Ces marqueurs sont principalement utilisés pour le multiplexage et l'imagerie cellulaire.

Technologie

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Le cœur de la technologie de Photon etc. est un filtre accordable basé sur des réseaux de Bragg en volume. Ces réseaux consistent en un verre photo-thermo-réfractif qui possède un indice de réfraction variant périodiquement. Cette modulation peut être orientée de manière à transmettre ou réfléchir la lumière incidente[12]. Afin de sélectionner une longueur d’onde particulière qui sera filtrée (diffractée), l’angle du réseau doit être ajusté afin de satisfaire la condition de Bragg[13]:

 

où n est un entier, λB la longueur d’onde diffractée (filtrée), Λ le pas du réseau et θ l’angle entre le faisceau incident et la normale à la surface d'entrée. Notez que la condition énoncée ci-haut est valide pour des réseaux en transmission; le sinus doit alors être remplacé par un cosinus pour les réseaux en réflexion. Si le faisceau ne rencontre pas la condition de Bragg, il traverse le filtre sans être diffracté.

Un filtre à réseau de Bragg fonctionne ainsi:

  1. D'abord, la lumière incidente collimatée est diffractée par un filtre en volume; seule une petite fraction du spectre électromagnétique est affectée.
  2. Puis, en faisant passer le faisceau une nouvelle fois dans le filtre, la lumière peut être recombinée et une image peut être ainsi reconstruite[14].

Imagerie Hyperspectrale

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La compagnie commercialise des systèmes d’imagerie hyperspectrale à base de réseaux de Bragg en volume. Cette technique combine la spectroscopie et l’imagerie : chaque image est acquise sur une bande étroite de longueur d’onde aussi petite que 0,1 nm. Les images monochromatiques acquises forment un cube hyperspectral de données; ce cube contient à la fois l’information spatiale (axes x et y) et spectrale (axe z) de l’échantillon à l’étude.

Dans cette technique, l’imagerie globale est utilisée pour étudier une grande surface de l’échantillon sans l’endommager[15]. Lorsqu'elle est combinée à la microscopie, une illumination en fond sombre ou fond clair peut être utilisée et une grande variété d'expériences peuvent être réalisées telles que:

Filtre accordable

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La technologie des réseaux de Bragg de volume est également utilisée pour concevoir des filtres passe-bande accordables pour différentes sources lumineuses. Cette technologie combine une isolation de <-60 dB[16] ou OD 6 et une large accordabilité sur les régions visibles et proches infrarouges du spectre électromagnétique.

Laser largement accordable

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La technologie de filtrage par réseaux de Bragg en volume peut être couplée à un laser supercontinuum afin de générer une source laser accordable. Les sources supercontinuum sont généralement des lasers fibrés de forte puissance. Ils produisent un rayonnement ultra large spectrallement et peuvent être employées pour des expériences temporelles ou à l'état d’équilibre. Ce rayonnement ultra large est obtenu lorsqu'un laser est dirigé à travers un milieu non linéaire. À partir de là, un ensemble de processus optiques hautement non linéaires (par exemple : mélange à quatre ondes, décalage Raman des solitons, etc.) s’additionnent de manière constructive et créent l'émission du supercontinuum. Couplé avec un filtre approprié, il peut fournir une sortie quasi-monochromatique sur une gamme spectrale allant de 400 nm à 2 300 nm. Cet instrument peut être utilisé dans diverses expériences et domaines de recherche :

  • La photoluminescence en excitation (PLE)
  • La photoluminescence
  • La spectroscopie d’absorption/réflexion
  • Les expériences pompe-sonde à l’état de quasi-équilibre
  • L’imagerie hyperspectrale
  • La calibration de détecteurs

Caméra infrarouge

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Photon etc. conçoit et fabrique des caméras infrarouges InGaAs et HgCdTe (MCT) sensibles respectivement de 0.8 µm à 1.7 µm et de 0.85 µm à 2.5 µm ou 2.9 µm. Ces capteurs infrarouges ont d'abord été développés pour l'imagerie à faible flux; ils sont maintenant utilisés en astronomie, en spectroscopie et en industrie pour le contrôle de qualité ou le tri des déchets.

Applications

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Photovoltaïque

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Photon etc., en collaboration avec l’IRDEP (Institut de recherche et de développement sur l'énergie photovoltaïque) a développé un système pour la caractérisation des dispositifs photovoltaïques. La cartographie hyperspectrale de l'électroluminescence (EL) et de la photoluminescence (PL) permet de caractériser différents aspects critiques des cellules photovoltaïques tels: la tension en circuit ouvert (Voc), les mécanismes de transport[17], l’efficacité quantique externe (EQE)[18], les courants de saturation[19], la composition de l’échantillon, l’uniformité, les domaines cristallographiques, les variations de stress, etc. L’imagerie hyperspectrale a déjà été employée pour la caractérisation de cellules solaires à base de Cu(In, Ga)Se2 (CIGS)[18],[20], de pérovskite[21] et de GaAs[17]. Dans leurs études, des chercheurs de l’IRDEP ont extrait des cartes de la séparation du quasi-niveau de Fermi et de l’EQE à l'aide de mesures hyperspectrales de photoluminescence et d’électroluminescence combinées à une calibration absolue spectrale et photométrique.

Sciences de la vie

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L’imagerie hyperspectrale globale a gagné en popularité dans le domaine de la santé au cours des dernières années, car elle peut être utilisée comme technique non invasive de diagnostic médical [22],[23],[24]. Jusqu'à présent, elle a été mise à contribution pour le diagnostic précoce d'anomalies de la rétine (par exemple, la dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) et la saturation en oxygène des vaisseaux rétiniens[25]), dans le domaine biomédical, en neurologie et en dermatologie pour l'identification et la localisation de protéines (par exemple, l'hémoglobine) ou de pigments (par exemple, la mélanine).

La modalité hyperspectrale peut être couplée à l'imagerie en champ sombre afin de caractériser des échantillons biologiques. Cette méthode a déjà été utilisé pour étudier des nanoparticules d'or (AuNPs) ciblant les cellules cancéreuses CD44 + [26] et pour l'étude des processus moléculaires dans le système nerveux central.

Lorsque l'imagerie hyperspectrale est optimisée dans la seconde fenêtre biologique (900 nm - 1 700 nm), il est possible de sonder en profondeur les tissus biologiques et les cellules. Cette technique a été employée par le Memorial Sloan Kettering Cancer Center afin d'identifier simultanément 17 différentes sortes de nanotubes de carbones dans différents types de cellules à l'aide de leur signature spectrale[27]. Ces mesures ont été réalisées ex vivo et in vivo.

Semi-conducteurs

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Après l'invention du transistor en 1947, la recherche sur les matériaux semi-conducteurs a pris son essor. Afin d'obtenir une meilleure compréhension des propriétés électriques et optiques de ces matériaux, les techniques de caractérisation ont dû évoluer rapidement. Une de ces techniques consiste à combiner la spectroscopie Raman avec l'imagerie hyperspectrale afin de caractériser efficacement des échantillons grâce à la spécificité de la diffusion Raman. Par exemple, à l'aide de cette technique, il est possible d’étudier le stress, les déformations et les impuretés dans des échantillons à base de silicium (Si). Cette étude a pu être réalisée en se fiant à la fréquence, à l'intensité, à la forme et à la variation de la largeur de la bande du mode de vibration principal du Si (~520  cm−1) [28],[29]. En général, grâce à la spectroscopie Raman, il est possible d'évaluer la qualité cristalline d’un matériau, le stress et les contraintes locales, le degré d'impuretés et de dopants et la température du réseau [30]. Il est également possible d'obtenir de l'information sur la composition d'échantillons semi-conducteurs à l'aide de cartes hyperspectrales de photoluminescence, d'électroluminescence, de transmittance et de réflectance (voir section Photovoltaïque pour plus de détails).

Nanomatériaux

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Les nanomatériaux ont récemment soulevé un grand intérêt dans le domaine des matériaux de pointe en raison de leur grand nombre d'applications industrielles, biomédicales et électroniques. L'imagerie hyperspectrale globale, combinée à la photoluminescence, à l'électroluminescence ou encore à la diffusion Raman, offre un moyen d'analyser les matériaux émergents. Cette technique peut fournir des cartes d'échantillons à base de points quantiques [31], de nanofils, de nanoparticules, de nanotraceurs [32],[33], etc. L'imagerie hyperspectrale globale peut également être utilisée pour étudier la distribution des diamètres et de la chiralité [34] de nanotubes de carbone ainsi que leurs modes de respiration radiale [35]. Cette méthode offre des cartes de l'uniformité, des défauts et du désordre tout en fournissant de l'information quantitative sur le nombre de couches, le stress et les excitations électroniques. Cette technique est employée pour l'analyse de matériaux 2D comme le graphène et le MoS2[36].

Industrie

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L'imagerie hyperspectrale permet d'extraire de l’information sur la composition et la distribution de composés spécifiques. Pour cette raison, l’imagerie hyperspectrale est tout indiquée pour l'industrie minière. En tirant profit de la signature spectrale propre aux différents éléments qui composent une carotte de forage, il est possible de reconstruire des cartes des différents minéraux. Avec une modalité de grand-champ, il est possible d'identifier des minéraux, mais également des plantes (mauvaises herbes, agriculture de précision) et de la nourriture (fraîcheur de la viande, défauts sur les fruits). On peut également utiliser cette modalité grand-champ pour diverses applications extérieures [37].

Être en mesure de détecter rapidement et efficacement les précurseurs liquides explosifs représente un atout important pour identifier les menaces potentielles. L’imagerie hyperspectrale dans la région SWIR permet une telle détection grâce à l'acquisition rapide d'images résolues spectralement. Les images monochromatiques obtenues permettent une identification rapide des composés chimiques. La détection du soufre par spectroscopie sur plasma induit par laser ou LIBS (« Laser-induced breakdown spectroscopy ») peut également être facilement réalisée à l’aide de réseaux de Bragg en volume utilisés comme éléments filtrants [38].

Calibration et caractérisation d’instruments

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La calibration d’instruments de mesure (par exemple : photodétecteur, spectromètre) est cruciale si la communauté scientifique désire maintenir ses hauts standards et si les chercheurs désirent être en mesure de comparer leurs résultats à ceux des différents groupes. La calibration spectrale est souvent essentielle et nécessite une source connue qui peut couvrir une grande partie du spectre électromagnétique. Les sources de lasers accordables qui possèdent une bande suffisamment étroite de longueurs d’onde et qui peuvent couvrir une large gamme de longueurs d’onde sont tout indiquées pour ce type de calibration.

Avant d’envoyer l'imageur de planètes de Gemini (GPI) à Gemini Sud, il a été nécessaire de calibrer son coronographe. Pour ce faire, il fallait employer une source presque achromatique et collimatée couvrant 0,95 à 2,4 µm. C’est la source laser accordable de Photon etc. qui a été choisie pour tester le coronographe. Cette source a été en mesure de fournir une sortie à travers l'ensemble du domaine de longueurs d'onde de GPI. Les filtres à couches minces sont des éléments nécessaires dans l'instrumentation optique [39],[40].

Les filtres passe-bande et coupe-bande possèdent maintenant des spécifications qui sont parfois délicates à caractériser. En effet, les densités optiques (OD) supérieures à 6 sont souvent difficiles à identifier. C’est pour cette raison qu’un groupe de chercheurs de l’Université d’Aix-Marseille a développé une technique de caractérisation résolue spectralement basée sur une source de supercontinuum et un filtre passe-bande accordable. La méthode est décrite en détail dans le papier de Liukaityte et al. [41] et a permis d'étudier les filtres à couches minces avec des densités optiques allant de 0 à 12 dans une gamme de longueurs d'onde comprises entre 400 et 1000 nm.

Références

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  1. ↑ S. Blais-Ouellette; «Method and apparatus for a Bragg grating tunable filter», US patent 7557990 (B2), issued Jul 7, 2009, http://www.google.com/patents/US7557990
  2. ↑ S. Blais-Ouellette; E. Wishnow; «Spectrographic multi-band camera», US patent 8237844 (B2), issued Apr 25, 2006, http://www.google.com/patents/US8237844
  3. ↑ S. Blais-Ouellette; K. Matthews; C. Moser; «Efficient multi-line narrow-band large format holographic filter», US patent US7221491 (B2), issued Apr 18, 2006, http://www.google.com/patents/US7221491
  4. ↑ S. Blais-Ouellette; D. Gagnon; S. Lessard; «Apparatus and method for laser induced breakdown spectroscopy using a multiband sensor», US patent 20100328661 (A1) (pending), http://www.google.com/patents/WO1?cl=en
  5. ↑ S. Blais-Ouellette; D. Gagnon; J-F. Moquin; M. Verhaegen; «Notch Filter System»; US Patent 20100110515 (A1) (pending), March 2008, http://www.google.com/patents/WO1
  6. ↑ La Presse Affaires, Janvier 2013, Stéphane Champagne, «Des étoiles à l'entrepreneuriat», Montréal, http://affaires.lapresse.ca/pme/201301/07/01-4608904-des-etoiles-a-lentrepreneuriat.php
  7. ↑ http://www.ott.caltech.edu/?Page=105&Letter=P, CALTECH Office of Technology Transfer, «Past/Current Startups», retrieved May 2013
  8. ↑ « EY announces 2014 Québec Entrepreneur of the YearTM finalists today », sur www.newswire.ca (consulté le )
  9. ↑ « Grand Prix d’excellence en affaires France-Québec 2009 », sur akova.ca (consulté le )
  10. ↑ Claude Tanguay, « Pour l'avancement de la recherche en santé - rapport annuel » (consulté le )
  11. ↑ « Prism Awards Finalists », sur www.photonics.com (consulté le )
  12. ↑ A. L. Glebov et al., « Volume Bragg Gratings as Ultra-Narrow and Multiband Optical Filters », Invited Paper, Proc. of SPIE Vol. 8428 84280C-1,‎ (DOI 10.1117/12.923575)
  13. ↑ (en) Bernard C. Kress et Patrick Meyrueis, Applied Digital Optics: From Micro-optics to Nanophotonics, John Wiley & Sons, Ltdl, (ISBN 978-0-470-02263-4).
  14. ↑ (en) S. Blais-Ouellette, « The imaging Bragg tunable filter: a new path to integral field spectroscopy and narrow band imaging », Proc. SPIE 6269,‎ (lire en ligne).
  15. ↑ W. Havener et al., « High-throughput Graphene Imaging on Arbitrary Substrates with Widefield Raman Spectroscopy », ACS Nano,‎ (DOI 10.1021/nn2037169)
  16. ↑ (en) Daniel Gagnon et Laura-Isabelle Dion-Bertrand, Widely tunable filter: technology and measurement of critical specifications, , 13 p. (lire en ligne).
  17. ↑ a et b A. Delamarre et al., « Characterization of solar cells using electroluminescence and photoluminescence hyperspectral images », Proc. SPIE,‎ (DOI 10.1117/12.906859)
  18. ↑ a et b A. Delamarre et al., « Evaluation of micrometer scale lateral fluctuations of transport properties in CIGS solar cells », Proc. Of SPIE, vol. 100,‎ (DOI 10.1117/12.2004323)
  19. ↑ A. Delamarre et al., « Contactless mapping of saturation currents of solar cells by photoluminescence », Appl. Phys. Lett.,‎ (DOI 10.1063/1.3697704)
  20. ↑ A. Delamarre et al., « Quantitative luminescence mapping of Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells », Progress in Photovoltaics,‎ (DOI 10.1002/pip.2555)
  21. ↑ G. El-Hajje et al., « Quantification of spatial inhomogeneity in perovskite solar cells by hyperspectral luminescence imaging », Energy & Environmental Science,‎ (DOI 10.1039/c6ee00462h)
  22. ↑ Étude de marché sur l’imagerie hyperspectrale globale (version anglaise seulement)
  23. ↑ (en) F. Hans Grahn et Paul Geladi, Techniques and applications of hyperspectral image analysis, Wiley, , 313–332 p. (ISBN 978-0-470-01086-0)
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  25. ↑ A.M. Shahidi et al., « Regional variation in human retinal vessel oxygen saturation », Experimental Eye Research, vol. 113,‎ (DOI 10.1016/j.exer.2013.06.001)
  26. ↑ S. Patskovsky et al., « Wide-field hyperspectral 3D imaging of functionalized gold nanoparticles targeting cancer cells by reflected light microscopy », Biophotonics,‎ , p. 1–7 (DOI 10.1002/jbio.201400025)
  27. ↑ Daniel Roxbury, Jena Prakrit V, Ryan M. Williams, Balázs Enyedi, Philipp Niethammer, Marcet Stéphane, Marc Verhaegen, Sébastien Blais-Ouelette et Heller Daniel, « Hyperspectral Microscopy of Near-Infrared Fluorescence Enables 17-Chirality Carbon Nanotube Imaging », Scientific Reports, vol. 5,‎ , p. 14167 (DOI 10.1038/srep14167)
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  29. ↑ J.D. Caldwell, L. Lombez, A. Delamarre, J.F. Guillemoles, B. Bourgoin, B. Hull, M. Verhaegen, Luminescence Imaging of Extended Defects in SiC via Hyperspectral Imaging. Silicon carbide and related materials 2011, PTS2, Materials Science Forum, 717-720, 403-406, 10.4028/www.scientific.net/MSF.717-720.403
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  40. ↑ Testing the Gemini Planet Imager coronograph: http://www.photonetc.com/space-astronomy
  41. ↑ Simona Liukaityte, Michel Lequime, Myriam Zerrad, Thomas Begou et Claude Amra, « Broadband spectral transmittance measurements of complex thin-film filters with optical densities of up to 12 », Optics Letters, vol. 40, no 14,‎ , p. 3225–3228 (DOI 10.1364/OL.40.003225, lire en ligne)
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