La plage dynamique est une spécification importante de la camera liée au signal minimal et maximal pouvant être mesuré dans une seule image. Elle est notamment influencée par le nombre de photons qui peuvent être collectés par un pixel dans l’image avant que la saturation ne se produise (full well depth) et du bruit plancher de la caméra.
La mesure la plus simple du signal maximal pouvant être toléré par une caméra est la capacité des pixels ou full well depth. Le full well depth caractérise le nombre d’électrons pouvant être stockés par pixel. Si cette valeur est dépassée, une exposition supplémentaire à la lumière n’entraîne pas une augmentation linéaire du signal ; le pixel est saturé et la quantité excessive de photo-électrons entraînera une fuite du pixel.
De autre côté, le signal minimal mesuré par la caméra est limité par son bruit. Pour de nombreuses technologies, le bruit de lecture sera la source dominante de bruit, bien que le courant sombre (i.e. bruit thermique) deviendra la source de bruit dominante lors de longues acquisitions. Bien que le bruit de lecture sera utilisé pour les démonstrations suivantes, la source de bruit principale d’une acquisition est hautement spécifique à son contexte unique.
Une fois que ces deux limites ont été identifiées, la plage dynamique est déterminée en divisant le full well depth par le bruit plancher. Par exemple, un full well depth de 100 kē et un bruit de lecture de 40 ē conduiraient à une plage dynamique de 2500:1. Une image de 12 bits (4096 niveaux) serait suffisante pour couvrir cette plage de données.
Le full well depth et les spécifications du bruit sont donnés en électrons. C’est puisque la plupart des appareils d’imagerie utilisent l’effet photoélectrique ; la génération d’électrons suite à l’exposition à des photons. Cette conversion se fait à un certain rythme caractérisé par l’efficacité quantique du capteur. Ainsi, une caméra avec une efficacité quantique de 90 % et une profondeur de puits de 100 kē peut-être exposée, en moyenne, à 110 000 photons par pixel avant saturation. Il faut noter que des mesures comme le full well depth et l’efficacité quantique sont des moyennes et peuvent varier d’un pixel à l’autre.
Cependant, les images de caméras numériques sont souvent présentées en unités analogiques à numériques (ADU) et non en électrons. Pour relier les ADU aux photons, une mesure du gain individuel de la caméra, souvent appelé k-gain, est utilisé. En utilisant ce rapport ē/ADU puis en équilibrant le nombre d’électrons avec l’efficacité quantique, une estimation du nombre photons capturés par pixel peut-être obtenus.
L’utilisation de l’EMCCD est orientée vers l’imagerie de flux extrêmement faible jusqu’au photon unique par pixel. Ceci est possible grâce à l’utilisation du gain de multiplication des électrons (gain EM) qui rend le bruit de lecture négligeable ; plus d’information sur la technologie EMCCD sont disponibles ici.
Le gain EM, ajoute un autre niveau à l’estimation de la plage dynamique. Bien que le gain EM n’affecte pas le full well depth de la zone d’imagerie, le registre de multiplication qui fait partie du capteur où se produit la multiplication des électrons, a son propre full well depth. Lors de l’utilisation du gain EM, ce sera souvent le facteur limitant. Par exemple, un signal de 1 kē ne dépasserait pas le full well depth de la zone d’imagerie d’une EMCCD de 100 kē, mais si un gain EM de 1000 est utilisé, les 1000 kē résultants dépasseraient le full well depth du registre de multiplication qui serait de 300 kē.
En tant que tel, la capacité effective du full well depth d’une EMCCD peut être estimée en divisant le full well depth du registre de multiplication par le gain EM utilisé. De plus, bien que le gain EM calibré soit très précis, il représente le gain moyen appliqué à l’image. Sur la base d’un pixel, le gain EM est stochastique et donc certains pixels seront plus (ou moins) amplifiés que d’autres. En règle générale, lorsqu’on utilise un gain EM élevé, il est plus prudent d’utiliser seulement <90% de la plage dynamique disponible pour limiter la saturation des pixels fortement amplifiés.
Le gain EM modulable des EMCCD permet d’adapter la caméra et sa plage dynamique aux exigences spécifiques à une acquisition. Cette adaptabilité confère à l’EMCCD une supériorité incontestée pour l’imagerie en conditions de faible luminosité.
