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Qu’est-ce que le gain EM ?

Le CCD à multiplication d’électrons (EMCCD) est une camera CCD à laquelle est ajouté un registre spécial de multiplication d’électrons. Il est conçu pour pratiquement éliminer l’effet néfaste du bruit de lecture intrinsèque aux dispositifs d’imagerie, les rendant ainsi nettement plus sensibles. Le bruit de lecture génère de faux comptes à un niveau comparable à un signal de quelques photons. Lorsque le signal réel ciblé est proche ou inférieur à cette limite de bruit, il ne peut pas être identifié par la caméra.

En amplifiant le signal entrant jusqu’à plusieurs milliers de fois, les EMCCD rendent le bruit de lecture effectivement négligeable. Le gain EM est le facteur associé à cette amplification de photoélectrons. Ainsi, les EMCCD peuvent offrir une sensibilité ultime pour l’observation des scènes les plus sombres en devenant des dispositifs d’imagerie de comptage de photons en temps réel à champ large.

Processus de la multiplication d'électrons

Les EMCCD utilisent une architecture de transfert d’image qui a deux zones sur le capteur : une zone d’imagerie et une zone de stockage. Chaque zone est organisée en rangées et en colonnes de pixels, qui peuvent être considérés comme des points qui collectent les charges générées par l’exposition à la lumière. Cette matrice de pixels est ce qui formera une image reconnaissable. Alors que la zone d’imagerie est exposée au signal, la zone de stockage est protégée, ce qui permet la lecture d’une exposition précédente simultanément à l’acquisition d’une nouvelle image.

Au bas de la zone de stockage, les charges se déplacent pixel par pixel à travers le registre de multiplication. Là, les charges de chaque pixel sont multipliées jusqu’à plusieurs milliers de fois. Ainsi, un signal entrant de quelques photons seulement peut se transformer en plusieurs milliers de photoélectrons. C’est ce qu’on appelle la multiplication d’électrons et c’est qui rend le bruit de lecture négligeable dans les EMCCD.

Plus précisément, le registre de multiplication est composé de plusieurs centaines d’électrodes. Lorsqu’une charge dans un pixel, un électron, est accélérée par une électrode, il y a une probabilité de 1 à 2 % qu’elle génère un électron secondaire par un processus appelé ionisation par impact. Cette ionisation par impact est réalisée en utilisant des tensions élevées, qui permettent aux photoélectrons accélérés de percuter et d’arracher un autre électron à un atome de silicium du registre de multiplication. Ainsi, cet électron nouvellement généré est ajouté au signal du pixel.

Bien que la probabilité d’un seul événement soit faible, passer séquentiellement à travers un grand nombre d’électrodes peut conduire à un facteur de multiplication de plusieurs milliers de fois ; ce facteur de multiplication est le gain EM (Gain par Multiplication d’Électrons). Le niveau d’amplification est contrôlé en augmentant ou en diminuant la tension traversant le registre de multiplication. Plus le capteur est froid, moins la tension nécessaire pour produire une ionisation par impact est élevée.

Avec les EMCCD modernes, le gain EM est calibré sur toute la plage de fonctionnement de la caméra de sorte que la température et d’autres facteurs n’ont aucun impact sur le gain EM sélectionné par l’utilisateur. Ainsi, lorsqu’une valeur de gain EM est choisie, elle représentera toujours le même facteur de multiplication, indépendamment des autres paramètres spécifiques de l’acquisition.

Gain EM optimal

À noter que le registre EM augmente non seulement le signal des photo-électrons, mais aussi les faux comptes, qui sont composés d’électrons sombres et de l’injection de charges (voir cette page). Nüvü™ répond à ces problématiques avec à la fois le contrôleur CCD pour le comptage des photons (CCCP) innovant et des performances de refroidissement inégalées. Le premier minimise l’injection de charges (voir Minimisation des charges induites par l’horloge) tandis que le second réduit les niveaux de courant sombre. Avec ces niveaux de bruit plus bas, Nüvü™ est le seul fabricant de caméras EMCCD qui propose des caméras supportant un gain EM calibré jusqu’à 5000.

Pour la plupart des applications, Nüvü™ recommande d’utiliser des gains EM inférieurs à 1 000 pour éviter la perte de plage dynamique. La plage dynamique de la caméra est définie comme le rapport entre la pleine capacité de charge du pixel (full well electron capacity) et le niveau de bruit de base de la caméra. Le registre de multiplication a une full well capacity fixe et donc des gains EM plus élevés signifient qu’un signal de départ plus faible atteindra cette capacité et provoquera une saturation. Mais des gains plus faibles conduisent à de meilleures plages dynamiques, qui affinent le contraste de l’image.

Cependant, pour les applications nécessitant le comptage de photons (signaux < 1 photon/pixel/image), il est fortement recommandé d’utiliser des valeurs de gain EM de plus de 3 000 pour optimiser la sensibilité et la plage dynamique. Nüvü Camēras est le seul fabricant d’EMCCD dont la sensibilité permet des gains EM élevés et donc un comptage de photons efficace.

Vieillissement de gain EM

Augmenter le signal avec plus de photo-électrons a un coût : le registre EM est un composant sensible qui peut saturer et la saturation peut conduire à son vieillissement prématuré. Le vieillissement de gain EM se manifeste par la nécessité d’utiliser une tension plus élevée dans le registre de multiplication pour obtenir la même amplification du signal.

Heureusement, les caméras EMCCD modernes contiennent un processus anti-vieillissement qui réduit significativement l’impact que les utilisateurs peuvent avoir sur le registre de multiplication. À ce titre, les caméras EMCCD peuvent être utilisées en continu pendant plusieurs années sans effet notable.

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