Les microscopes électroniques en transmission (MET) fournissent des images de très haute résolution pour l’analyse des échantillons. Le défi consiste à capturer ces images sur un film sans compromettre la qualité des détails. Les éléments mêmes rendant ce niveau de détail possible, les électrons, contribuent aux difficultés inhérentes à la micrographie électronique.

Toutefois, en utilisant les électrons de manière efficace, il est possible d'optimiser la qualité des images en optimisant la densité, en améliorant le contraste et en réduisant le bruit.

La solution consiste à utiliser davantage d’électrons, c’est-à-dire à accroître le taux d’échantillonnage.

• Augmentation de la durée d’exposition
• Réduction du grossissement
• Réglage de l’exposition et du développement
• Causes du bruit en micrographie électronique

Augmentation de la durée d’exposition

La façon la plus simple d'utiliser plus d'électrons pour améliorer la qualité de l'image est d'augmenter la durée d'exposition, comme l'illustre la Figure 2. On observe ici les avantages évidents de l’augmentation de la densité et du contraste. Le rapport signal sur bruit est par ailleurs amélioré : le signal de l’image augmente de façon linéaire avec l’exposition (le nombre d’électrons absorbés), tandis que la structure du bruit augmente moins rapidement que la racine carrée de l’exposition. Bien entendu, il est également possible d’accroître la densité et le contraste en augmentant l’activité de développement (par ex. en augmentant la durée du développement), mais le signal et le bruit augmentent alors proportionnellement, ce qui conduit à un rapport signal sur bruit moins favorable qu’en augmentant la durée d’exposition.

Figure 2 : si l’échantillon et les conditions instrumentales le permettent, l'augmentation de l'exposition augmentera la densité du négatif, optimisera le contraste de l’image et améliorera le rapport signal sur bruit.

Réduction du grossissement

De par leur instabilité ou pour d’autres raisons, certains échantillons ne tolèrent pas de longues durées d’exposition. Le cas échéant, la réduction du grossissement instrumental produira une meilleure qualité d’image. Au besoin, le grossissement peut être ensuite compensé par des moyens photographiques, avec une loupe ou un agrandissement de l’image.

Figure 3 : réduction du grossissement instrumental et compensation avec peu de perte dans les détails fins (3C par rapport à 3A). Les résultats sont comparables à ceux d’une micrographie capturée avec un grossissement total inférieur (3B).

La réduction du grossissement sans modifier les autres conditions permet à plus d’électrons de venir heurter une unité de la surface d’émulsion sur le film sans modifier le nombre d’électrons qui passent au travers de l’échantillon. Comme illustré à la Figure 3, la micrographie résultante est plus dense et présente un contraste plus élevé (3B par rapport à 3A). Le grossissement sacrifié peut ensuite être compensé par un grossissement optique proportionnel (comme illustré à l’image 3C). Cette restauration de la taille de l’image par grossissement optique peut toutefois s’accompagner d’une augmentation du grain en raison du grossissement optique plus élevé.

L’amélioration du grain d'un tirage est évidente lorsque le grossissement est inférieur et que le taux d’échantillonnage a été augmenté (3B par rapport à 3A). L’image 3C ne contient pas plus d'informations que l’image 3A mais une plus grande densité et un meilleur contraste ont été obtenus sans augmentation de l'exposition, ce qui est un facteur important dans les situations qui exigent une limitation de la durée l'exposition.

Réglage de l’exposition et du développement

C’est en grande partie la stabilité de l’échantillon qui détermine si le film peut capter beaucoup ou relativement peu d'électrons. Le film d'imagerie électronique SO-163 fonctionne efficacement avec diverses expositions électroniques et répond correctement aux conditions de développement de compensation qui donneront des micrographies d’une densité d’impression comparable. De par sa polyvalence, le film d'imagerie électronique SO-163 peut être utilisé tant pour les échantillons stables qu'instables.

Figure 4 : les paramètres de sensibilité et de signal sur bruit des plaques de microscopie électronique peuvent être adaptés aux conditions de stabilité des échantillons en sélectionnant des conditions d'exposition et de développement compensatoires. Ces conditions servent de points de départ.

Sur la figure 4, le courant du faisceau est le plus faible (le moins d'électrons) en 4A, intermédiaire en 4B, et le plus élevé (le plus d'électrons) en 4C. Dans le même ordre, la durée du développement et l’activité du révélateur ont été réduites pour compenser le nombre croissant d’électrons collectés. En effet, la contribution à la densité par électron qui est nécessaire à la production d’une densité donnée est modifiée lors du développement afin de correspondre au nombre d’électrons absorbés. L'objectif, là encore, est d'utiliser plus d'électrons. Recueillez autant d'électrons que la stabilité de l'échantillon le permet et ajustez les conditions de développement afin d'obtenir la densité et le contraste souhaités.

Causes du bruit en micrographie électronique

Les processus utilisés en micrographie électronique et en photographie ordinaire sont similaires à bien des égards. Les deux consistent à exposer un matériau photographique, à traiter ce matériau pour obtenir une image négative et à imprimer le négatif pour obtenir un tirage positif agrandi. La principale différence réside dans l’exposition d’électrons, pour la micrographie électronique et de lumière, pour la photographie conventionnelle. Cette différence est un facteur critique lors d’applications techniques MET ou photographiques, car les électrons interagissent avec les émulsions photographiques d’une manière sensiblement différente de celle des photons. Les fluctuations aléatoires d’électrons dans un faisceau sont normales. Ce sont ces fluctuations qui donnent le grain caractéristique sur les négatifs photographiques développés. Cette structure granulaire (le bruit) s’observe plus facilement dans les zones exposées aux électrons de manière uniforme (Figure 5A), et n’est pas due au grain photographique inhérent à l’émulsion (Figure 5B) ni n’indique pas nécessairement une instabilité instrumentale.

En outre, chaque électron incident peut interagir avec un certain nombre de grains d’halogénure d’argent le long de sa trajectoire irrégulière au travers de l’émulsion, rendant ainsi ces grains sensibles au développement. Les électrons contribuent donc efficacement à la densité de l'image. Combinée aux fluctuations caractéristiques du faisceau, cette efficacité contribue toutefois à la structure granulaire que nous reconnaissons comme du bruit dans l'image.

D’un autre côté, lorsque l’agent d’exposition est la lumière, un certain nombre de photons doivent interagir avec chaque grain d’halogénure d’argent pour qu’il soit sensible au développement. Cela s’explique principalement par le niveau d’énergie des photons (2 à 3 électrons-volts pour le rayonnement visible), qui est considérablement inférieur à celui des électrons dans une micrographie électronique typique (50 000 à 100 000 électrons-volts). Avec l’exposition aux photons, le facteur de transmission est échantillonné à un taux dont l'ordre de grandeur est considérablement supérieur à celui de l’exposition aux électrons. Par conséquent, le grain est réduit au niveau de l’émulsion elle-même lors de l’exposition aux photons.