RAPPORT de STAGE Nanoscopie résolue en temps : réalisation d
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1. e Fichier enregistrement ouverture propos e Param tres positionnement de la platine v locit temps d int gration Certains l ments sont indispensables en permanence et donc hors onglets message d tat type de scan variable en cours boutons du s maphore de cou pure Laser et quitter A cela s ajoutent une fen tre pour l image fournie par la cam ra CCD et une autre pour l image du scan en lui m me FIG 4 L ensemble est lui aussi relativement intuitif la console fait office de t l commande pour les crans Les ajouts personnels Comme on peut le voir sur les figures 3 et 4 j ai ajout un certain nombre de fonctionnalit s celles demand es de base e plut t que de donner la main des positions des curseurs permettent de cadrer facilement la zone scanner ou sur laquelle on souhaite zoomer e un mode de zoom automatique d sactivable permet d acqu rir le m me nombre de points lors du zoom que lors du scan pr zoom c est dire de conserver la r solution relative e des coupes horizontales et verticales d finies par les curseurs du scan 2D sont visibles sur les c t s de l image afin de pouvoir se repr senter ce qu on peut plus ou moins qualifier de troisi me dimension m me si on parle de Volts et non de la translation de la platine de l axe Z De plus j ai ajout une courbe de coupe qui int gre le signal entre les 2 curseurs dans le but2. ment le bus ce qui fait perdre beaucoup de temps dans le cas d utilisation en trelac e de 2 instruments D o l utilisation de commandes de bas niveau pour certains modes mode curve du lock in voir plus loin En ce qui concerne le mode cha ne de caract res j ai mis en place des primi tives d acces au bus initialisation criture lecture 6 3 2 La platine nanom trique et le lock in La platine Il s agit d un plateau de translation sur 2 axes X amp Y de r solution nanom trique 10 m On communique avec cette platine via son contr leur en mode cha ne de caract res Les commandes utilis es sont assez parlantes mais j ai associ chacune d entre elle une sur fonction volu e qui v rifie les erreurs et en renvoie le code ventuel de fa on pouvoir coder pro prement les proc dures de plus haut niveau Le lock in C est un appareil de mesure synchrone tr s pr cis Son mode d uti lisation dans le contexte du microscope est le suivant on commence par mo duler le faisceau Laser d entr e en cr neaux l aide du hacheur m canique ou chopper ce faisceau excite le volume de d tection sur l chantillon et la lumi re mise ou diffus e est mesur e et num ris par le lock in via la pho todiode Le lock in conna t la fonction de modulation en cr neau il est li au contr leur du chopper et se v rouille en phase sur cette fr quence de modulation d o son nom En i
3. re Pas cal Didier pour ses lames de test originales Luca Guidoni pour son accueil et sa pr sence constante ainsi que Val rie Halt pour sa bonne humeur et ses r f rences LATEX 3 Environnement technique 3 1 Environnement informatique Lors de mon stage il m a t confi un PC tournant sous Windows 98 muni d un acc s internet J ai utilis principalement IGOR Pro de WaveMetrics 2http www wavemetrics com P un logiciel de traitement de donn es et d interfa age graphique pour Mac et Windows mais aussi Microsoft Visual C pour les essais sur la cam ra 3 2 Qu est ce gu un microscope confocal Il s agit d un outil d agrandissement d image qui pousse la r solution pos sibilit d observer des petits objets la limite impos e par la diffraction de la lumi re Le principe est le suivant un faisceau Laser excite l chantillon qui ren voie de la lumi re par fluorescence ou par r flexion et ou diffusion r colt e par un objectif standard de microscope L objectif cr e l image du point de focalisation du Laser sur un pinhole petit trou tr s fin ce qui a pour effet de s lectionner de fa on tr s pr cise la lumi re manant d un point unique de l chantillon On peut alors d placer cet chantillon suivant les 3 axes et enre gistrer l intensit lumineuse derri re le pinhole FIG 1 Ets sur platine nanom trique gt y translations Objectif du mic
4. fixe dans le but de choisir finement la zone scanner 14 IA R sultat du scan A Zi olx Dur e du scan 5 412 Nb de points 13324 Voirplan 0 E Couleur Feu Y _ gt 0c0 Conde 8x Couper Nb de plans 0 Etat controleur OK gt Se 2 40 45 50 55 60 800 600 400 200 2500 0 m 2000 ai 1500 2 gt 70 z E 1000 3 3 2 65 500 gt Ed 0 60 40 45 50 55 60 0 1000 Axe des X um FIG 4 La fen tre de scan 6 2 1 L chec d un XOP TWAIN J ai tudi principalement gr ce au site de Microsoft msdn microsoft com les fonctionnalit s offertes par les librairies Direct Show utilisant TWAIN Ce qui m a permis de mettre en place un programme visualisant l image produite par la cam ra Pendant une dizaine de jours j ai modifi mon programme de toutes les fa ons possibles afin d en faire un XOP et donc permettre la capture d images de centrage au sein de l interface d velopp e sous IGOR FIG 5 N y parvenant malheureusement pas je me suis r solu envoyer un courriel Wavemetrics le d veloppeur d IGOR qui m a rapidement r pondu que ce que j essayais de faire tait quasiment vain eux m me avaient d j essay sans plus 15 langage C propre C C XOP Librairie GPIB gt IGOR CCD TWAIN FIG 5 Fonctionnement th orique d un XOP TWAIN de succ s Ceci est d l
5. mon stage a t la r daction d un guide d utilisation de l interface pour les physiciens souhaitant utiliser le microscope mais contenant galement des sections plus d taill es destin es la maintenance du logiciel par la suite en cas de changement d une partie du mat riel par exemple Ce guide se trouve en annexe 5 Ma mission Mon travail consistait interfacer ce microscope compos d instruments mul tiples Il fallait donc donner une unit un ensemble d appareils divers afin d en faciliter l utilisation D s le d but M Guidoni m a pr sent un certain nombre de fonctionnalit s n cessaires coder imp rativement e centrage manuel pr alable de l chantillon avec l image de la cam ra CCD en direct e cadrage de la zone scanner sur une image acquise par la CCD e scan d une zone avec les param tres de pas de d placement voulus e zoom sur une zone d un scan d j effectu e enregistrement et ouverture des acquisitions Le microscope tant en cours de r alisation puis de test il m a aussi fallu r pondre aux demandes l gerement changeantes en cours de route 11 6 Travail et r sultats 6 1 IGOR et Pinterface graphique 6 1 1 Fonctionnalit s dIGOR Pro L un des gros gains de ce stage est la ma trise du logiciel IGOR Pro de Wavemetrics Il s agit d un logiciel de traitement de donn es et d interfacage graphigue pour Mac et Windows Logiciel orient programmation disposant
6. son amplitude est tr s faible et sans gravit En revanche des op rations impromptues de Windows pourraient ajouter des d calages non constants et donc plus g nants car d pla ant les lignes de fa on non uniforme 20 e Les points acquis sont int gr s sur la longueur d un pas de d placement De fait le pouvoir s parateur est l g rement r duit e le scan est n cessairement rectangulaire ce qui peut obliger scanner des zones sans int r t 6 3 5 Le s maphore Permettant de couper distance le faisceau Laser il est contr l par le lock in gr ce une sortie analogique disponible Une simple commande en mode cha ne de caract res envoy e au lock in DAC 1 tension permet de le mouvoir dans un sens ou dans l autre 6 4 Adaptation de ma m thode de travail A mon arriv e le microscope n existait que dans la t te d un chercheur Luca Guidoni pas de plans pas de cahier des charges Seuls taient disponibles des fragments du futur instrument la platine nanom trique et son contr leur le lock in Tout au long du stage M Guidoni M Acker M Didier et moi m me avons imagin et construit le microscope De fait il a chang de forme plusieurs fois et n a probablement pas encore atteint son tat final Ceci explique ma m thode de travail j ai d constamment faire voluer le code en fonction des ajouts des modifications techniques et des demandes pr sentes d une part mais aussi anticiper
7. 25 9 Annexes 9 1 Codes sources Version sans sources pour Pascal 9 1 1 primitives ipf Les primitives d acc s la platine et au lock in 9 1 2 calibrage ipf Barre de calibrage du lock in 9 1 3 CCDaquire ipf Acquisition d une image par CCD 9 1 4 scan ipf Les fonctions de scan 9 1 5 windows ipf Le fichier principal 9 1 6 menu ipf Un simple menu qui appara t automatiquement dans la barre d outils du logiciel IGOR Pro 9 2 Scans de tests 9 2 1 Plots magn tiques Matrice de plots magn tiques de 2um de diam tre chacun distants de Tum les uns des autres FIG 8 amp 9 9 2 2 Bulle de colle Bulle de colle dans une grille de cuivre de 80um de c t utilis e pour isoler des nano particules On constate ici le r sultat confocal la bulle n est pas dans le plan de la grille et on peut donc les dissocier FIG 11 amp 12 effet tri dimensionel que l image vid o ne rend pas FIG 10 9 2 3 Nanofil de nickel Ce nanofil mesure une dizaine de nanom tres de large FIG 13 Il appara t beaucoup plus pais cause de ph nom nes d interf rences 26 40 45 50 55 60 1200 800 400 75 70 65 60 40 45 50 55 60 0 500 FIG 8 9 plots magn tiques 27 22 23 24 25 02 10 FIG 9 Les irr gularit s d un plot magn tique 28 FIG 10 La bulle observ e par la cam ra CCD 29 FIG 11 La
8. G 2 Mode de fonctionnement du microscope confocal point de vue infor matique De plus afin de supprimer autant que possible le bruit ambiant n ons on module pr alablement le faisceau incident en cr neau l aide d un hacheur m canique ou chopper ce qui permet au lock in de couper les parasites qui ne sont pas modul s la m me fr quence et qui n ont pas une relation de phase pr cise avec la r f rence du hacheur L inconv nient est que pour ce faire le lock in doit int grer le signal sur quelques p riodes de modulation ce qui rallonge le temps n cessaire l acquisition d un point FIG 2 3 4 Instruments en interaction avec l informatique Je donne ici la liste du mat riel lectronique qui r agit avec l informatique Leurs fonctionnalit s seront plus d taill es par la suite e Platine pi zo lectrique 2 axes nanom triques Physik Instrumente P 731 8C Elle offre une pr cision th orique de 2nm sur une course de translation de 80um par axe e Controleur platine pi zo Physik Instrumente E 710 4CL Li par bus GPIB la carte du PC e Lock in EG amp G Instruments 7260 DSP Li par bus GPIB la carte du PC e S maphore de coupure Laser li la sortie DAC du lock in e Cam ra CCD noir zblanc 384 288 pixels e Carte GPIB TEEE 488 ISA e Carte tuner TV PCI 4 Relations humaines 4 1 Les personnes concern es J ai eu la chance de travailler dans une qu
9. M Guidoni est cependant rest avec moi les pre miers jours afin de me pr senter les diff rents mat riels et logiciels par la suite je lui faisais tr s fr quemment tat des derni res avanc es et il tait toujours mon coute en cas de probl me ou de demande de conseils Diverses personnes passaient de temps en temps voir l avancement du projet et me sugg rer des id es d am liorations Une fois les grandes lignes trac es j ai pu d velopper ma guise pour autant que je gardais l esprit le but final de la manipulation 2 4 La s curit J ai suivi d s mon arriv e une formation sur la s curit dans le laboratoire Il y avait en effet 2 dangers principaux e Les faisceaux Laser Le laboratoire poss de des Lasers de classe IV c est dire tr s dangereux Les consignes lors de l utilisation sont ne pas se baisser ne pas porter de montre ou de bracelet qui pourraient r fl chir le faisceau vers les yeux pleine puissance les faisceaux sont tellement intenses que m me la main s y br le e L azote liquide Il est employ en grande quantit pour refroidir les l ments de certaines manipulations Il provoque de graves br lures ceci ajout au risque pour la peau de rester coll e aux tuyaux et donc d tre arrach e 2 5 Remerciements Sinc res remerciements tous les membres de l quipe et plus particulierement par ordre alphab tique Jean Yves Bigot pour son action financi
10. Minist re de l Education Nationale CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS INSTITUT d INFORMATIQUE d ENTREPRISE RAPPORT de STAGE NANOSCOPIE R SOLUE EN TEMPS R ALISATION D UNE INTERFACE POUR UN D PLACEMENT 3 AXES NANOM TRIQUES ET ACQUISITION DE DONN ES PANSIOT Julien Stage de lere ann e Directeurs de stage M BIGOT Jean Yves Directeur de recherche M GUIDONI Luca Charg de recherche Stage effectu VIPCMS GONLO unit mixte de recherche CNRS ULP du 10 Juin au 30 Ao t 2002 Table des mati res 1 2 Pr sentation succinte Lieu et conditions de travail 2 1 Hi rarchie des services 2 2 Lieu de dravall yi a AAA 2 3 Mode de travail a a JA La s curit o ds ara 5 d a da etes le 2 5 Remerciements Environnement technique 3 1 Environnement informatique 3 2 Qu est ce qu un microscope confocal 3 3 Le microscope en cours de d veloppement 3 4 Instruments en interaction avec l informatique Relations humaines 4 1 Les personnes concern es 4 2 Les rapports humains dans un laboratoire du CNRS 4 3 Un informaticien parmis les physiciens Ma mission Travail et r sultats 6 1 IGOR et l interface graphique 6 1 1 Fonctionnalit s VIGOR Pro 6 1 2 L interface graphiq
11. N pour interfacer la cam ra CCD J ai donc utilis le site Microsoft MSDN msdn microsoft com celui de TWAIN twain org ainsi que de nombreux sites de d veloppement sourceforge net codeproject com programmersheaven com etc 7 Conclusion 7 1 Les r sultats J ai mis en place une interface de gestion du microscope en tat de fonc tionnement J ai impl ment toutes les fonctionnalit s demand es l origine interface unique permettant centrage manuel pr alable de l chantillon avec l image de la cam ra CCD en direct cadrage de la zone scanner sur une image acquise par la CCD scan d une zone avec les param tres de pas de d placement voulus zoom sur une zone d un scan d ja effectu enregistrement et ouverture des acquisitions puis une grande partie de celles qui m ont t s propos es par la suite coupes lat rales barre de calibrage du lock in voyant tricolore mode curves pour optimiser le bus GPIB Je n ai cependant pas pu int grer l image de la cam ra CCD en direct et j ai donc d faire appel un autre logiciel ce qui rend un tantinet fastidieuse la r cup ration d une simple image fixe de la cam ra La figure 4 pr sente un des premiers r sultats de grande r solution il s agit d une matrice de plots magn tiques de Zum de diam tre chacun distants de Tum les uns des autres La r solution maximale a t atteinte sur les plots et sur la bulle on distingue des formes d une ta
12. agrandissement d image microscope muni d un trou tr s fin pinhole qui permet une tr s grande r solution spatiale sur les 3 axes Voir aussi 3 2 nanom trique nm 10 m tres Adjectif qualifiant un objet mouvement dont la dimension est de cet ordre A titre indicatif le rayon moyen d un atome est de 0 1nm pinhole Trou tr s fin de l ordre de 20um permettant la grande r solution spatiale du microscope confocal Voir aussi FIG 1 24 platine pi zo lectrique Outil de d placement tr s fin bas sur des c ramiques pi zo lectriques dont la dimension varie en fonction de la tension impos e leurs bornes et r ciproquement Voir aussi FIG 1 amp 2 s maphore Dans notre cas c est un petit drapeau contr l par le lock in qui permet de couper distance le faisceau Laser Voir aussi FIG 1 ET 2 TWAIN Standard lanc par un groupe d industriels Adobe Digimarc East man Kodak Company Fujitsu Computer Products of America J F L Peripheral Solutions Inc Ricoh Corporation Xerox afin de r guler les communications entre le mat riel d acquisition d images et les logiciels de traitement Voir aussi 6 2 1 XOP eXternal OPeration Petit morceau de code externe IGOR pouvant tre programm dans n importe quel langage moyennant un fichier de ressources afin de pr ciser le nom et les param tres des fonctions pr sentes et de fait utili sables au sein d IGOR Voir aussi 6 1 1 amp 6 2 1
13. bulle dans son plan 30 La bulle n apparait pas dans le plan de la grille FIG 12 31 45 40 48 50 52 54 56 58 FIG 13 Nanofil de nickel 32 9 3 Photographie du microscope On distingue sur cette photo 1 l arriv e de la source Laser la platine de translation nanom trique marqu e PI Ventr e de Pobjectif sous la platine la cam ra CCD sous le b ti le pinhole muni des 2 vis de r glage la photodiode NN DO a BW N V cran de test de la cam ra CCD FIG 14 Le microscope 9 4 Mode d emploi et de maintenance A la page suivante 33
14. d liminer les parasites 13 E Console iol x Scan V7 CCD V7 Zoom V7 Fich N 211801 a come DC 28 E 5 ES e Fermer le s maphore LASER FIG 3 La console de commande e un voyant tricolore accompagn d un message permet de conna tre au premier coup d oeil l tat du microscope en tat de marche un appareil d branch en cours d acquisition etc e un bouton de controle du s maphore Laser permet de couper le faisceau tout moment en cas d accident par exemple Jai fait d une pierre deux coups en automatisant l ouverture et la fermeture de ce s maphore en d but et fin de scan pour encore plus de s curit d une part et pour chauffer au minimum l chantillon d autre part e une grosse barre dont la taille varie en direct avec la tension lue par le lock in permet de faire la mise au point en cherchant un signal fort de fa on beaucoup plus ais e qu en regardant un chiffre augmenter ou diminuer sur le petit cran de cet instrument 6 2 La cam ra CCD Afin de pouvoir centrer grossi rement le microscope avant de tenter une acquisition une cam ra CCD est ins r e dans le microscope et li e la carte Tuner TV du PC via du c ble BNC C est une cam ra tr s basique noir amp blanc et seulement 384 288 pixels Ceci est cependant largement suffisant pour r gler le microscope En plus de cette image en direct il est utile de pouvoir acqu rir une image
15. d un diteur de code d image de fen tre etc il permet de cr er des codes compil s ex cut s par lui m me ce pendant ainsi que des macros non compil es interpr t es Le langage de programmation Il est notable que le m me langage soit employ pour le code ex cutable et pour les macros Seules les commandes de cr ation d objets graphiques type fen tre ainsi que quelques commandes externes sont r serv es aux macros Je d finierais ce language comme un in term daire entre le C et le basic e aussi peu fonctionnel que le C e principales structures de boucles e tres faiblement typ les 3 seuls types sont variable un r el sur 32 bits string une chaine de caracteres et wave un tableau de l 4 dimensions contenant des r els des string ou des caract res e pas de pointeurs mais allocation plus ou moins dynamique de la m moire par des op rations sur les tableaux e beaucoup de fonctions sur les cha nes de caract res et sur les tableaux mod lisation etc A cela s ajoutent les fonctions de gestion des fen tres et des contr les boutons champs de saisie etc Le mode background Une fonctionnalit int ressante d IGOR est de pouvoir faire appel une fonction et une seule malheureusement comme fonction en t che de fond background Ceci est plus qu utile lors des acquisitions de donn es la mise en t che de fond de la commande de r ception des donn es permet de la
16. e envoie toutes les donn es d un coup e GP GPIB Parameters e HC Halt Curve e LEN Length la taille du buffer d acguisition e M renvoie l tat des acquisitions en cours e NC New Curve e ST Status Byte e STR Storage Interval d finition du temps entre chaque point e TD Take Data pour commencer l acquisition Contrairement d autres appareils le lock in employ ne permet malheu reusement pas d envoyer des blocs de donn es binaires ce qui permettrait une acc l ration substantielle de la vitesse de transfert Il envoie toutes les donn es la suite en mode cha nes de caract res ce qui permet tout de m me de les lire de fa on continue J ai donc utilis des commandes de bas niveau qui l inverse de celles de haut niveau n cessitent l adressage des instruments utiliser J ai proc d de la sorte demande de transfert des donn es en haut niveau d finition de l metteur et du recepteur une fois pour toute puis r ception des donn es en continu et ce afin de ne pas r initialiser le bus chaque valeur lue Avantages de la m thode e rapidit en th orie on peut scanner assez vite sans perte de temps due aux commandes GPIB e on peut rafra chir l image chaque ligne et donc observer le scan en direct Inconv nients e il n est pas possible de synchroniser parfaitement le d part du mouvement de la platine et l acquisition du lock in Un l ger d calage relatif constant est donc pr sent mais
17. emblable au mien il m a transmis un certain nombre de connaissances juste avant de retourner aux Etats Unis Les autres membres de l quipe du groupe qui sont venus plus ou moins souvent suivre la progression du logiciel Benabbas Abdelkrim Doctorant Albrecht Mich le Ing nieur d tudes Cr gut Olivier Ing nieur de recherche Halt Val rie Ma tre de conf rence etc 4 2 Les rapports humains dans un laboratoire du CNRS Une grande partie des chercheurs est extr mement impliqu e dans son m tier et est facilement enclin partager les r sultats de ses travaux Le tutoiement est de rigeur si toutefois on peut qualifier cela de rigueur Un peu d concertant au d but j en ai tir profit pour acc l rer les contacts J ai assist plusieurs r unions d quipe et pr sent mon travail de fa on plus formelle certains chercheurs 4 3 Un informaticien parmis les physiciens Si je devais donner un sous titre mon stage ce serait celui ci En effet en plus de la d couverte d un nouveau logiciel et de nouvelles m thodes de programmation je pense avoir gagn ne pas travailler parmis des informa ticiens Je n ai pas travaill pour des gens du m me environnement que moi et j ai donc d faire face l pineux probl me des sciences qui se rencontrent Cela n a pas t facile au d but le vocabulaire technique des physiciens ne m tant pas familier Mais apr s une bonne semaine de m
18. er les chantillons biologiques et organiques en revanche ne supportent pas les longues expositions Le confort d une acquisition rapide pour les chercheurs est aussi appr ciable Dans le but de gagner du temps il tait n cessaire de supprimer les alternances de communications vers le lock in et vers la platine le changement d objet vers lequel on communique via le bus GPIB est co teux en temps Pour ce faire j ai employ une fonctionnalit du lock in le mode Curves qui permet d acqu rir jusqu 32K points un intervalle de temps constant avant de les envoyer d un coup au PC Il suffit alors de d placer la platine de fa on lente mais r guli re une vitesse calcul e de mani re ce que les points acquis soient espac s de la distance souhait e FIG 7 selon la formule v AX Nbpoints 1 Tempsd integration 2228 FIG 7 Scan en d placement x1 y1 19 Il est en effet possible de changer la vitesse de d placement donc le pas Quelques commandes suppl mentaires sont donc utiles la platine e TV Tell Velocity la v locit est une constante proportionnelle la vitesse e SV Set Velocity e RP Repeat permet de faire des boucles tr s basiques non imbriqu es une seule la fois et pas plus de 256 it rations Et un grand nombre pour le lock in e CBD Curve Buffer Define type de mesure effectuer X Y phase e DC Dump Curv
19. fa on retourn e vers elle m me mais ouverte aux autres sciences La formation de base de l IIE dans de nombreux langages m a permis de ma triser assez vite le nouveau logiciel mis ma disposition Plus qu un nou veau langage de programmation j ai appris de nouvelles m thodes comme la programmation graphique contr les etc mais aussi la programmation en re lation avec des instruments autres qu informatiques J ai d couvert la program mation d entr es sorties mais aussi une bauche de programmation parall le par les minis programmes envoy s aux instruments effectu s simultan ment au programme du PC Du point de vue du laboratoire je pense avoir fait gagner du temps au groupe car cette interface tait n cessaire De plus mes m thodes de programmation diff rant de celles des physiciens je pense avoir apport un peu de sang neuf dans la mani re de structurer et de commenter les programmes 8 Glossaire Les mots en gras sont eux m mes d finis dans le glossaire Les r f rences aux sections et figures sont donn es en italique bus GPIB IEEE Bus de communication rapide jusqu 1 5Mo s externe Tous les outils PC controleur platine lock in etc sont mont s en parall le Voir aussi 6 3 1 chopper ou hacheur m canique Simple roue perc e espacements r guliers et tournant vitesse constante gr ce un contr leur sp cifique permettant de couper le faisceau Laser une fr que
20. i que j ai acquis l autre grande connaissance technique la communication avec les appareils de mesure et de commande platine nanom trique et lock in via le bus GPIB Ces m thodes n ont t abord es que de tr s loin VITE via les cours d introduction la programmation r seau 6 3 1 Le bus GPIB Initiales de General Purpose Interface Bus c est le standard IEEE 488 qui d crit l interface de communication entre les instruments et controleurs des diff rents constructeurs sur les plans lectrique m canique et fonctionnel 16 Techniquement c est une interface de communication parallele 8 bits assurant un taux de transfert sup rieur au m gaoctet seconde Ce bus est g r par un contr leur syst me dans notre cas c est la carte ISA du PC et 14 instruments peuvent tre branch s Le bus GPIB peut tre g r par deux modes chaine de caracteres ou bas niveau Dans les deux cas des fonctions de base ont t impl ment es en C par National Instrument puis port es sous IGOR Le mode cha ne de carat res permet des transmissions fiables et lisibles La fin de transmission tant la fin de la cha ne de caract res L utilisation de cette m thode est appropri e pour l envoi de commandes ou la r ception de donn es de faible ampleur tant donn l alourdissement de la connexion tests de fin de cha ne et nombres en clair De plus les commandes volu es de lecture et d criture r initialisent constam
21. ille de 100nm la limitation optique tant de l ordre de A 2 229nm Voir aussi les tests en annexe 7 2 Les gains Les gains de ce stage ont t tr s importants tant sur le plan humain que technique 5En particulier e Physik Instrument Operating Manual PZ80E pour la platine e CEC 488 Programming amp manual reference pour la programmation GPIB e IGOR XOP Toolkit pour la programmation des XOPs EG amp G Instruments Model 7260DSP Lock in Amplifier Instruction Manual pour le lock in 6le constructeur de la platine nanom trique TX est la longueur d onde du faiseau 22 En effet le travail en quipe bien que d j abord dans un groupe de 7 per sonnes au cours du projet IPI Projet Informatique ne se g re pas du tout de la m me fa on dans un laboratoire tant donn la hi rarchisation des acteurs et leurs comp tences vari es L cole m a donn des m thodes techniques pour travailler plusieurs ce stage m a sugg r des m thodes humaines J ai d me plier aux imp ratifs m caniques les l ments du microscope non encore usin s d pendant d autrui informatiques syst me d exploitation logiciel et surtout aux avis du personnel J ai appris couter les besoins la finalit du logiciel ne me concernant pas manant de sp cialistes d un autre domaine Plus encore il m a fallu interpr ter ces besoins en terme d informatique Et de fait je ne vois plus l informatique de la m me
22. ipe tr s dynamique ces personnes cit es pr c demment sont rappel es par une dans la liste des personnes avec qui j ai eu des contacts professionnels par ordre alphab tique Daniel Acker Assistant ing nieur A usin les pi ces du microscope alors que je programmais c tait mon pendant m canique J allais fr quemment le voir pour constater les avanc es Jean Yves Bigot Directeur de recherche Responsable du Groupe di recteur de stage A t mon interlocuteur pour une partie des formalit s admi nistratives En temps que Responsable du Groupe GONLO et Chef d quipe il est p riodiquement venu s informer de l avancement des travaux ainsi que des difficult s rencontr es Pascal Didier Doctorant Souhaitant tudier la fluorescence de certaines bact ries il tait tout naturellement int ress par le microscope confocal en cours de d veloppement Il m a donc sugg r quelques critiques et un certain nombre d am liorations possibles dans le logiciel afin d en augmenter les capa cit s et l ergonomie La r alit est plus proche de 3nm Luca Guidoni Charg de recherche directeur de stage Il a t le com manditaire du logiciel ma principale source d informations sur le sujet mais aussi contact administratif etc C tait donc mon contact privil gi Jeanine Joseph Secr taire Peter N Saeta Ph D Harvard University Ayant d j r alis un travail s
23. ise niveau les gains ont t normes sur de nombreux points e J ai pris une connaissance assez rapide des fondements de l optique non lin aire D o ouverture par le biais de l informatique un autre domaine de connaissance e Bien que le niveau informatique des personnes qui m entouraient tait lev j ai appris utiliser le vocabulaire ad quat pour tre compris le plus rapidement possible 10 e J ai t oblig de faire le lien entre la physique et l informatique dans mon code source celui ci tant succeptible d tre modifi par la suite j ai cod et comment mes programmes de la facon la plus claire possible pour un physicien Tous les noms de variable sont parlants chaque fonction est d taill e avec un soin particulier pour les appels aux appareils de commande et de mesure o chaque op ration est expliqu e et ce afin de pouvoir changer ais ment une partie du microscope De plus les variables sont class es par appareil dans des r pertoires e Ce n est pas propre la physique mais j ai d couvert l esprit chercheur bien diff rent de celui de l ing nieur Ce qui me donne une id e de ce que pourrait tre un DEA en informatique Dans le m me esprit j ai assist plusieurs s minaires de physique ayant attrait au microscope et j ai pu visiter un laboratoire voisin o l on tait en train de d velopper un autre type de microscope De plus une part non n gligeable de
24. isser p riodiquement des plages temps libres la proc dure de v rification des boutons enfonc s et donc de pouvoir stopper une acquisition en cours Les XOPs eXtern OPeration Th oriquement en mettant en place un fi chier de ressources qui d finit les propri t s d une ou plusieurs fonctions ar guments valeur retourn e etc et en compilant de fa on appropri e un code C quelconque voir un autre langage basic ou fortran par exemple on doit pouvoir le faire ex cuter par IGOR De fait les extensions d IGOR sont sans 12 limites Malheureusement la programmation Windows ajoute des contraintes et emp che certaines op rations voir 6 2 1 6 1 2 interface graphique Etant donn les fonctions fournies par IGOR il n est techniquement pas tr s compliqu de r aliser une interface graphique qui fonctionne correctement En revanche il est plus subtil de rendre intuitive interface au yeux de l utilisateur final du microscope qui raisonne plus en terme d instruments et de r sultats que d informatique et de m thodes Les l ments de l interface De fait j ai centralis les commandes princi pales dans une fen tre onglets la console FIG 3 avec un onglet par tape d acquistion d une image ceci dans le but de simplifier l acc s de l interface aux nouveaux utilisateurs e CCD centrage et acquisition de l image e Scan position et pas de scan e Zoom position et pas mode automatique
25. le futur en produisant un code ou vert au maximum afin de pouvoir le rattacher le plus simplement possible aux nouvelles contraintes qui appara traient par la suite d autre part A mon d part la platine de translation verticale n tait pas encore mont e sur le microscope De fait je n ai pas pu tester les scans en 3D Cependant tout est pr t pour cela le mode scan 3D param trage commandes et l affichage des images 3D j ai opt pour un mode plan par plan seule la primitive d acc s la platine manquante n est pas r alis e Le prototype existe cependant il suffira de compl ter ces quelques lignes bien localis es pour que l ensemble fonctionne 6 5 La collecte d informations Lors de ce d veloppement j ai fr quemment eu besoin d informations tech niques fiables Ce fut tr s forte raison le cas au d but et M Guidoni s est propos de m aider Puis je suis all me renseigner chez M Saeta qui avait d j d velopp une interface dans l environnement IGOR Pro qui m a appris un certain nombre d astuces Dans le m me temps j ai utilis la documenta tion technique fournie par les constructeurs du mat riel et les d veloppeurs de 21 standards 5 mise ma disposition De plus plusieurs appels t l phoniques chez Physik Instrument ont t n cessaires afin d claircir certains points Plus tard j ai pass norm ment de temps sur internet afin de me renseigner sur le standard TWAI
26. nce donn e Il r alise une modulation du signal optique en cr neaux Son contr leur est reli au lock in Voir aussi FIG 1 CNRS Centre National de la Recherche Scientifique 23 diode photosensible Composant lectronique mettant un courant d pendant de son exposition la lumi re Dans notre montage le courant est converti en tension par un pr amplificateur et ult rieurement amplifi par le lock in Voir aussi FIG 1 femtoseconde 1fs 10 15 secondes S utilise aussi comme adjectif qualifiant un v nement dont la dur e est de cet ordre GONLO Groupe d Optigue Non Lin aire et d Opto lectronique L un des 5 groupes de recherche de VIPCMS GPIB Voir bus GPIB hacheur m canique voir chopper IEEE Institute of Electrical amp Electronical Engineers IGOR Pro Logiciel de traitement de donn es et d interfa age graphique d velopp par WaveMetrics Voir aussi 6 1 1 IPCMS Institut de Physique et de Chimie des Mat riaux de Strasbourg UMR 7504 du CNRS lame semi r fl chissante Il s agit d une lame de verre trait e en surface de mani re r fl chir une partie d un faisceau lumineux la mani re d un miroir et en transmettre l autre comme une vitre lock in Appareil de d tection synchrone tr s pr cis Pour effectuer une acqui sition il doit recevoir un signal d entr e pr alablement modul en cr neaux par le chopper Voir aussi 6 3 2 amp FIG 1 microscope confocal Dispositif d
27. nt grant le signal sur quelques p riodes il peut supprimer une grande partie du bruit qui n a ni la m me fr quence ni de relation de phase avec le signal de modulation 6 3 3 La m thode arr t sur point C est la m thode de base on ordonne le positionnement de la platine sur le point cible puis on attend ventuellement le temps du d placement et enfin on 17 acquiert la valeur de la tension aux bornes du lock in La vitesse de la platine nanom trique tant limit e il faut rechercher le trajet de longeur minimale passant par tous les points La solution retenue est pr sent e ci dessous FIG 6 xLy1 e e e e e e x2 y2 FIG 6 Scan par allers retours Jai mis en place une fonction scannant une seule ligne en Y puis se d placant d un pas en X parcours d un L En la r p tant dans des sens altern s haut droite bas gauche on effectue le parcours souhait Pour ce faire j ai principalement adress en mode chaine de caract res ces com mandes la platine e MA Move Absolute e MR Move Relative e GO Go Home revenir la position 0 0 e TP Tell Position e WA Wait e GI Get Information e HE Help Ainsi on lui envoie via la commande d criture sur le bus TEwrite 1MA41 2 n pour Move Absolute axe 1 to position 41 2 nm De m me les commandes du lock in se transmettent en mode chaine de ca ract res Les plus utilis e
28. pe mon arriv e e Benabbas Abdelkrim Doctorant Bigot Jean Yves Directeur de recherche Daunois Alain Charg de recherche e Didier Pascal Doctorant Gies Jean Georges Assistant Guidoni Luca Charg de recherche e Halt Val rie Ma tre de conf rence 2 2 Lieu de travail L IPCMS est situ e sur le campus Cronenbourg Strasbourg J ai commence par partager le bureau avec mon directeur de stage M Guidoni les 10 premiers jours lors des phases de prise en main du logiciel et des tout premiers tests de la platine nanom trique Puis ampleur du mat riel mis en oeuvre augmentant microsocope optique de test cam ra CCD etc je suis descendu avec tout ce mat riel dans une salle de manipulations chambre noire climatis e tables anti vibrations afin de poursuivre le d veloppement Enfin apr s un second d m nagement au bout de 5 semaines j ai termin le logiciel dans une salle de manipulations fra chement remise en tat en vue de l installation du microscope C est l que tous les composants ont t assembl s et les premiers essais grandeur nature r alis s 2 3 Mode de travail Je travaillais au minimum de 9h30 18h avec une interruption d 1h30 midi soit environ 35h par semaine J tais relativement autonome devant mon PC et surtout devant le mat riel lectronique haut de gamme mis ma disposition et dont le prix me dissuadait de faire des essais hasardeux
29. roscope Lame semi r fl chissante S maphore de A coupure Laser gt W Lentille de via le lock in EN refocalisation Lame semi r fl chissante Photodiode W Communications via le lock in vers le PC gt E du PC g duet vers le PC FIG 1 Principe de fonctionnement du microscope confocal point de vue optique 3dans notre cas c est la raie 458nm d un Laser ions d argon On observe donc un seul point la fois il s agit d effectuer des scans c est dire des parcours de zone avec des acquisitions point par point afin d obtenir une image en 2 ou 3 dimensions 3 3 Le microscope en cours de d veloppement Dans le cas pr cis de ce microscope c est l chantillon observ qui se d place et non Vobjectif La r solution tant tr s importante de l ordre de 300nm le dipositif de d placement est tr s sensible c est une platine c ramique pi zo lectrique qui sera command e via son controleur par le PC derri re le pinhole la lumi re est focalis e par une lentille sur une photo diode en silicium qui convertit le signal lumineux en tension gr ce un pr amplificateur Le signal de la diode est ensuite trait par le lock in FIG 2 TEEE TunerTV Bus GPIB autres zy PC Ctr1 Platine BNC vid o 6 fils ANS CCD Platine nanom trique Photodiode S maphore instruments FI
30. s en mode point par point e ID Identification e TC Time Constant la constante de temps pour l int gration du signal e X X outpout la tension lue sur la voie X e Y Y outpout la tension lue sur la voie Y Pour la platine comme pour le lock in il est possible d envoyer plusieurs com mandes dans la m me chaine de caracteres s par es par 18 Avantages de la m thode e facilit de mise en oeuvre e fiabilit on est s r de la position o est effectu e l acquisition d un point e le parcours se fait sans retour en d but de ligne co teux en temps e la fonction de scan d un L tant assez rapidement ex cut e j ai pu Vutiliser en mode background de mani re ce que la main soit reprise chaque ligne pour v rification d un ventuel arr t par l utilisateur e on peut rafra chir l image chaque ligne et donc observer le scan en direct Inconv nients e adresser de fa on altern e des commandes au lock in et la platine via le bus GPIB fait perdre norm ment de temps de l ordre d une seconde pour 100 points e le scan est n cessairement rectangulaire ce qui peut obliger scanner des zones sans int r t 6 3 4 La m thode d placement constant Un scan de qualit correcte peut prendre jusqu 10 minutes pr s de 7 minutes par exemple pour celui de la figure 4 Si ce n est pas trop g nant pour des objets min raux ou m talliques et m me eux peuvent fondre sous le Las
31. tion e Sciences pour l ing nieur e Sciences chimiques e Sciences de l univers et INSU e Sciences de la vie e Sciences de l homme et de la soci t L IPCMS Institut de Physique et de Chimie des Mat riaux de Strasbourg UMR 7504 CNRS ULP est rattach au d partement Sciences physiques et math matiques Il est compos de 5 groupes e GSI Groupe des surfaces et interfaces e GMO groupe des mat riaux organiques e GONLO groupe d optique non lin aire et d opto lectronique GEMME groupe d tude des mat riaux m talliques 1Unit Mixte de Recherche CNRS Universit Louis Pasteur e GMI groupe des mat riaux inorganiques Une nouvelle fois le GONLO au sein duquel j ai travaill est subdivis en services g n raux m canique lectronique chimie laboration et quipes de recherche e Dynamique femtoseconde et spectroscopie des nanostructures de semi conducteurs e Spectroscopie femtoseconde des m taux et polym res e Mod lisation des processus optiques non lin aires e Impulsions laser intenses et propagation optique non lin aire e Mat riaux organiques pour l optique non lin aire Comme Pindique le nom de l quipe les Lasers impulsions courtes fem toseconde sont la base de la majorit des manipulations l un des buts tant d tudier des ph nom nes ultra rapides par des m thodes non lin aires d inter action avec V amp chantillon Composition de l qui
32. tion succinte Lors de ce stage je souhaitais confronter l informatique un autre domaine scientifique et j ai naturellement choisi la physique par go t personnel Le but tait d interfacer un microscope de pointe en cours de r alisation dans un laboratoire du CNRS par une quipe sp cialis e dans les Lasers impulsions courtes L objectif terme du projet de recherche est d allier une r solution tem porelle dans le domaine de la femtoseconde 1fs 107 15s la meilleure r solution spatiale que l on peut obtenir avec un microscope optique Cependant l aspect de la r solution en temps n a pas t abord pendant les phases de tests sta tiques auquels j ai particip Il s agissait de d placer un chantillon l aide de platines de translation de pr cision nanom trique 107 m sur les 3 axes de l espace et d acqu rir les points de la future image agrandie Toutes ces op rations devaient se faire Vaide d une interface unique Le d veloppement de cette interface a t effectu en m me temps que la construc tion physique du microscope 2 Lieu et conditions de travail 2 1 Hi rarchie des services Le CNRS Centre National de la Recherche Scientifique est un organisme public de recherche fondamentale Il est subdivis en 8 d partements scienti fiques e Physique nucl aire et corpusculaire et IN2P3 e Sciences physiques et math matiques e Sciences et technologies de information et de la communica
33. ue 6 2 La camera CCD AAA NM da 6 2 1 L chec d un XOP TWAIN 6 22 M thode de repli 69 L SCan ss iris an e RS LEE MA Manuel 63 1 be bus GPIB 5414 LA LEE Du AS e SR memes 6 3 2 La platine nanom trique et le lock in 6 3 3 La m thode arr t sur point 6 3 4 La m thode d placement constant 6 3 5 Le s maphore 6 4 Adaptation de ma m thode de travail 6 5 La collecte d informations Conclusion 7 1 Les r sultats 7 2 Les Bains eu 4 44 4 a ea de de bn HE dames Glossaire A DOOR 10 10 11 12 12 12 13 14 15 16 16 17 17 19 21 21 21 22 22 22 23 9 Annexes 26 9 1 Codes Sources saa ta hat otre 26 YI lt ptimilivesipi e A a AA A LR RES 26 91 2 CallbrageIpl di ba e A a a e 26 9 1 3 CCDaguireiipf em a o 26 OLA Scan ipl LA bd d 26 91 57 WwindoWs APE oaaae e Led ot a a M e e a 26 9 6 Ineu ID A a af a at A AA LA a i 26 9327 Scans dE tests nn don a a E a d c s 26 9 2 1 Plots magn tiques 26 9 2 2 Bulle d Colle accio etes La a DE iy 26 9 2 3 Nanofil de nickel 26 9 3 Photographie du microscope 33 9 4 Mode d emploi et de maintenance 33 1 Pr senta
34. utilisation abusive des r f rences aux identificateurs de fen tres sous Windows En effet on ne peut utiliser TWAIN sans l identi ficateur de la fen tre principale WinMain qui dans mon cas n existe pas puisque je souhaitais utiliser la cam ra dans une fonction Le WinMain est alors celui d IGOR et n est pas pr par recevoir directement un flux d image 6 2 2 M thode de repli La cam ra CCD non fondamentale dans le microscope ne peut donc tre directement interfac e dans IGOR De fait je me contente de faire ex cuter un logiciel d acquisition par une commande d IGOR l utilisateur peut alors centrer son microscope en direct sur le PC Puis s il le d sire il peut acqu rir une image fixe l aide dudit logiciel et la r cup rer en redonnant la main IGOR ce qui est un peu fastidieux afin de placer ses curseurs de cadrage du scan 6 3 Le scan Il s agit d obtenir une image partir d un ensemble de points sur une surface rectangulaire Ils sont d finis par les coordonn es du rectangle et la distance entre les points en X et en Y J ai donc d d terminer les meilleures m thodes de parcours de l chantillon pour acqu rir le maximum de points en un minimum de temps Il en r sulte deux m thodes divergentes le scan avec arr t sur chaque point et celui avec acquisition pendant le d placement Chacune des deux peut tre effectu e avec acquisition ou non lors du retour C est ic
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