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Comptage de photons EMCCD

Les bases de l'imagerie par comptage de photons

Le comptage de photon est un mode d’acquisition adapté pour l’imagerie a très faible luminosité. Tirant pleinement parti de la sensibilité unique de l’EMCCD, le comptage de photons permet d’imager des signaux d’aussi peu que quelques photons par heure avec une capacité de résolution au photon près et un large champ de vision.

Quand les signaux sont inférieur à 1 photon/pixel/image, le comptage de photons est la meilleure option disponible et a le potentiel d’améliorer considérablement les acquisitions, le tout avec une facilité d’utilisation remarquable.

Rapport signal sur bruit (RSB) des modes d'acquisition de l'EMCCD. L'acquisition linéaire (linear) utilise 1 image/seconde et l'acquisition par comptage de photons (PC) utilise 10 images/seconde.

Les avantages de l'imagerie de comptage par photons

La principale raison d’utiliser le comptage de photons (PC) est sa sensibilité accrue comparée aux acquisitions EMCCD linéaires typiques (mode linéaire – LM). Toutes les technologies d’imagerie utilisant le gain (e.g. diodes à avalanche, détecteurs EMCCD) souffrent de ce qu’on appelleà le facteur de bruit excédentaire (ENF). Le gain est un processus stochastique au cours duquel les électrons ont une certaine probabilité d’être multiplié à chaque étape du registre de multiplication donc, même pour un gain défini, il existe une incertitude pixel par pixel sur le nombre exact d’électrons à la sortie de la multiplication. L’ENF est une représentation de ce phénomène et a le même effet sur le ratio signal/bruit (RSB) que de réduire de moitié l’efficacité quantique de votre caméra. Plus d’informations sur ce sujet sont disponibles dans cette section sur les sources de bruit de l’EMCCD.

L’utilisation du comptage de photon élimine l’effet d’ENF; cela a le même impact que de multiplier l’intensité de votre signal par deux. Cette sensibilité accrue fait une différence cruciale lors de l’imagerie de signaux à faible flux.

On peut observer que les avantages du comptage de photons ne s’étendent pas au-delà d’un signal de 1 photon/pixel/image. En effet, le comptage de photons produit des images binaires, chaque pixel étant soit un 0, lorsqu’aucun photon n’a été détecté, ou un 1, lorsqu’un photon a été détecté. En conséquence de quoi, si un pixel reçoit plus d’un photon, l’information n’est pas enregistrée dans l’image ce qui entraîne une perte par coïncidence.

Effet de l’empilage d’images

Alors que l’image d’un comptage de photon est binaire, plusieurs images peuvent être empilées pour produire une image finale simple d’interprétation avec une plage dynamique. En équilibrant le rythme d’échantillonnage et le nombre d’images empilées, une acquisition peut être personnalisée pour des besoins spécifiques. C’est là que les niveaux de performance fournis par l’EMCCD de Nüvü Camēras sont cruciaux, car chaque image empilée ajoute son propre bruit, rendant un faible niveau d’injection de charges (CIC) une priorité.

Un autre avantage du comptage de photon est la possibilité de sur-échantillonner. Dans toutes les acquisitions avec des temps d’exposition longs, le risque qu’une particule à haute énergie (aussi appelée rayon cosmique) heurte le détecteur augmente. Cette particule dépose une grande quantité d’énergie sur le détecteur, générant un nombre considérable d’électrons et compromet la précision d’une image parfois obtenue sur plusieurs minutes. Avec le comptage de photon, l’utilisation de plusieurs expositions plus courtes sur cette période plus longue permet de retirer facilement les images affectées par une particule de haute énergie.

Technique de seuillage

Pour obtenir des performances uniques en imagerie à faible luminosité, le comptage de photon s’appuie sur une technique appelée seuillage. Un moyen simple pour illustrer ce qu’est le seuillage est de regarder les histogrammes d’images EMCCD.

Les histogrammes sont un moyen de représenter des images qui identifient le nombre de pixels (comptes) ayant une certaine valeur en ADU (l’unité d’intensité d’une image EMCCD). Lorsque l’on observe des images sombres, des images sans signal, l’histogramme révèle une multitude d’informations sur les sources de bruit de la caméra.

Impact des sources de bruit

Sur les images sombres CCD, l’histogramme aura l’apparence d’une distribution gaussienne. Lorsqu’aucun gain EM n’est utilisé, les EMCCD obtiennent un résultat similaire ; le bruit de lecture domine.

Le bruit de lecture se produit lorsque les photoélectrons du capteur sont convertis en un signal analogique pouvant être interprété par l’électronique de la caméra. Comme le bruit de lecture dépend du capteur, il ne changera pas d’un fabricant à l’autre et ne peut être réduit que si des vitesses de lecture inférieures sont utilisées.

Histogramme du bruit de lecture

Avec un signal faible dans les CCD classiques, seuls quelques photoélectrons sont générés et le signal sera donc de faible intensité sur l’histogramme. Si l’intensité de ce signal est trop faible et se situe dans la même plage que le bruit de lecture, il n’y a aucun moyen de faire la distinction entre le bruit et le signal, ce qui conduit à des résultats peu concluants.

Histogramme d'acquisition d'un CCD

En utilisant le gain EM, les EMCCD amplifient le signal de plusieurs ordres de grandeur avant la numérisation des photoélectrons. Cela signifie que même si le signal mesuré est très faible, un grand nombre d’électrons sera lu. Ainsi, le bruit de lecture sera distinct du signal dans l’histogramme. C’est pourquoi le bruit de lecture est considéré comme négligeable dans les EMCCD.

Histogramme d'acquisition d'une EMCCD

Sans bruit de lecture, de plus faibles sources de bruit doivent être considérées avec les EMCCD. Le courant sombre (i.e. bruit thermique) est produit par l’agitation thermique du senseur et augmente linéairement avec le temps d’exposition (caractérisé en e/pixel/seconde). La température du senseur est le seul paramètre qui influence le courant sombre.

Comme le courant sombre est lié au temps et que les EMCCD sont refroidies à des températures très basses (<-50°C), il devient négligeable lors de l’utilisation de temps d’exposition plus courts ; ce qui est la norme dans les acquisitions par comptage de photons. La dernière source de bruit est l’injection de charges, générée par les signaux des horloges utilisés pour déplacer les charges sur la puce EMCCD. Cette source de bruit est fixe par image (e/pixel/image) et devient donc la source de bruit dominante dans le comptage de photons. La réduction de l’injection de charges est crucialeautant pour l’imagerie linéaire que le comptage de photons.

Avec le gain EM, l’histogramme des images sombres EMCCD montre une combinaison du bruit de lecture gaussien et d’une queue créée à la fois par l’injection de charges (CIC) et le courant sombre. Cet histogramme peut être utilisé pour comparer les performances de différentes caméras EMCCD et est à la base du seuillage du comptage de photons.

Histogramme d'image sombre d'EMCCD

Sélection du seuil

Avec le comptage de photons, au lieu d’une image affichant l’intensité par pixel, vous obtenez une image binaire avec 0 ou 1 dans chaque pixel (0 pour aucun photon et 1 pour un photon). C’est ce processus qui permet d’éliminer le facteur de bruit excessif, car la valeur exacte de l’intensité de chaque pixel n’est plus importante pour la mesure ; l’imagerie par comptage de photons mesure seulement si un pixel a été touché par un photon ou non.

Cette technique n’est pas seulement utilisée dans les EMCCD, mais aussi, par exemple, dans les diodes avalanche et l’imagerie aux rayons X. Pour obtenir cette image binaire, un seuil d’intensité est défini et si l’intensité d’un pixel est inférieure au seuil, aucun photon n’a touché le pixel, tandis que si l’intensité est supérieure au seuil, le pixel a été touché par un photon. Ce seuil peut être clairement illustré sur un histogramme.

Comment le seuillage s'applique à un histogramme d'acquisition d'EMCCD.

Établir correctement le seuil est crucial, car il doit être assez bas pour capturer un grand nombre de photons, mais assez élevé pour éviter d’enregistrer trop d’événements de bruit. Une méthode standard pour choisir un seuil est d’utiliser une mesure de l’écart-type (σ) de la courbe gaussienne du bruit de lecture. Pour les EMCCD, un intervalle de confiance universellement reconnu est obtenu avec un seuil de 5σ. Ainsi, il n’y a qu’une chance sur 3 millions que le bruit de lecture sur un pixel soit enregistré comme un photon. Les utilisateurs avancés peuvent sélectionner leur propre seuil en fonction de leur application et du flux de signal.

La sélection d’un seuil optimisé est cruciale pour la qualité de l’image. Un seuil trop bas par rapport à l’écart-type du bruit de lecture (σ) détecte trop de bruit tandis qu’un seuil trop élevé coupe trop de signal.

Requis en performance pour le comptage de photons

Gain EM plus élevé et CIC plus faible

L’utilisation d’un gain EM élevé est cruciale pour un comptage de photons efficace, car le gain EM augmente l’intensité du signal, éloignant le signal du bruit de lecture gaussien et permettant à plus de photons d’être détectés au-dessus du seuil.

On pourrait déduire qu’utiliser le gain EM le plus élevé possible serait idéal dans tous les cas, mais un gain EM plus élevé augmente aussi l’injection de charges (CIC). Contrairement au bruit de lecture, cette source de bruit est générée sur le détecteur et est donc multipliée avec les photoélectrons du signal. Si le CIC devient trop prééminent, les avantages de l’utilisation d’un gain EM plus élevé sont annulés.

Gauche: La probabilité de détection d’un photon augmente avec un gain EM plus élevé. Droite: Histogramme d’image illustrant l’effet d’un gain EM plus élevé lors de l’utilisation du seuillage.

La plupart des fabricants de caméras EMCCD plafonneront leur gain EM maximum à ~1000, afin d’éviter que l’utilisateur n’acquiert des images dominées par leur CIC plus élevé. Cependant, ce gain EM est insuffisant pour utiliser efficacement le comptage de photons EMCCD et fournira peu ou pas d’avantage comparé au fonctionnement en mode linéaire (LM), même si l’ENF est éliminé. Bien que le comptage de photons (PC) soit une technique d’acquisition puissante, les autres fabricants promeuvent rarement le comptage de photons en raison de ces exigences de performance strictes.

L'impact du bruit sur une image sombre

Grâce à la technologie brevetée de Nüvü Camēras qui réduit significativement le CIC, nos détecteurs EMCCD peuvent fonctionner à un gain EM allant jusqu’à 5000 tout en maintenant le CIC sous contrôle permettant des performances inégalées en comptage de photons. Le comptage de photons de Nüvü reste le choix des utilisateurs d’EMCCD les plus rigoureux dans des applications exigeantes en faible luminosité.

Rapport signal sur bruit (RSB) des modes d'acquisition d'EMCCD. L'acquisition linéaire (linear) utilise 1 image/seconde et l'acquisition par comptage de photon (PC) utilise 10 images/seconde.

Considération de l'accumulation de CIC

Empiler des images de comptage de photons est très utile pour produire une image plus complète avec une plage dynamique et englobant votre ensemble de données. Cependant, le CIC est fixe par image (e/pixel/image). Chaque image ajoutée dans une pile ajoutera également sa propre valeur de CIC. Si une image avec 50 niveaux est créée, l’image contient 50 fois la quantité de CIC trouvée dans une seule image. Cet effet augment d’autant plus l’importance d’avoir le CIC le plus bas possible.

Empilement d’image avec différent niveau de CIC

Toutes les acquisitions par comptage de photons (PC) ne sont pas égales, car les spécifications de la caméra jouent un rôle clé dans les résultats finaux. Bien que le seuillage élimine le facteur de bruit excessif (ENF), si les performances de la caméra sont insuffisantes, le comptage de photons ne conduira jamais réellement à un gain en RSB ; il y aura trop de bruit et pas assez de signal au-dessus du seuil.

La plupart des détecteurs EMCCD sur le marché ne sont pas appropriées pour le comptage de photons, mais l’électronique EMCCD brevetée de Nüvü Camēras est conçue pour un comptage de photons à haute performance.

Ressources supplémentaires sur le comptage de photon

Si vous êtes intéressé par une analyse plus approfondie des mathématiques et des statistiques soutenant le comptage de photons avec des détecteurs EMCCD, ainsi que par des données supplémentaires, plusieurs articles sont à votre disposition. De nombreuses questions plus générales sont également traitées dans notre FAQ sur les EMCCD.

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