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Qu’est-ce qui affecte la fréquence d’imagerie d’une EMCCD ?

La technologie du CCD à multiplication d’électrons (EMCCD) rend le bruit de lecture négligeable grâce au gain EM qui permet d’atteindre une fréquence d’imagerie significativement plus élevée que les CCD conventionnels en utilisant des taux de lecture de pixels plus élevés. Outre la vitesse de lecture, le nombre de pixels lus ainsi que la taille du capteur affecteront la fréquence d’images.

De plus, l’architecture du capteur EMCCD lui confère également un niveau élevé de flexibilité pour créer des séquences de lectures personnalisées. Cela permet de maximiser davantage la fréquence d’images lors de l’utilisation de certaines parties des capteurs (régions d’intérêt – ROI) ou même d’atteindre des temps d’exposition très courts, jusqu’à quelques microsecondes, en minimisant le mouvement des charges sur le capteur.

Étapes d'une acquisition

La structure d’une acquisition EMCCD est très importante pour comprendre ce qui limite la fréquence d’image. Les EMCCD utilisent une architecture de frame transfer qui utilise deux zones sur le capteur : une zone d’imagerie et une zone de stockage. Pendant que la zone d’imagerie est exposée à la lumière, la zone de stockage est protégée ce qui permet la lecture des photoélectrons d’une exposition précédente même lors de l’acquisition d’une nouvelle image. Par conséquent, l’exposition la plus courte possible pour la zone d’imagerie est limitée par le temps de traitement de l’image lorsque la zone de stockage est libre.

Une fois que la zone d’imagerie a été éclairée pendant la durée d’exposition sélectionnée, la première étape après l’exposition est de transférer rapidement les charges de la zone d’imagerie à la zone de stockage. Plus le capteur est grand, plus il a de lignes, plus le transfert d’image prend du temps (~10 us à 1 ms) puisqu’il y a plus de lignes de charges à transférer. La seconde étape est de lire tous les pixels. Le temps de lecture dépendra à la fois du nombre de pixels à lire et de la vitesse de lecture du capteur (~0.5 ms à 100 ms pour un capteur entier). Ainsi, deux éléments affectent la fréquence d’images : la taille du capteur (nombre de pixels à lire et à déplacer sur le capteur) et la vitesse de lecture (vitesse à laquelle les pixels sont lus).

Augmentation de la fréquence d'image

Dans la plupart des modes d’acquisition, le temps de lecture sera le principal facteur limitant la fréquence d’images maximale. Des taux de lecture plus élevés peuvent être utilisés pour accélérer le processus, mais la lecture EMCCD est un processus complexe et il faut faire attention à préserver la qualité de l’image à des vitesses plus élevées. Grâce à un meilleur contrôle de la lecture et des sources de bruit, Nüvü Camēras est le seul fabricant d’EMCCD à offrir le taux de lecture le plus élevé de 30 MHz (30 millions de pixels par seconde) sur tous les formats de capteurs.

Une autre façon de réduire le temps de lecture est de réduire le nombre de pixels à lire. Cela est réalisé en utilisant une Région d’Intérêt (ROI) qui limite la lecture à une section du détecteur pertinente pour l’acquisition. Nüvü™ prend également en charge l’utilisation de multiples régions d’intérêt (mROI) pour plus de flexibilité. L’utilisation du binning de pixels est une autre façon d’augmenter la fréquence d’images, bien qu’elle ne soit pas recommandée dans les acquisitions en faible luminosité puisque le super-pixel résultant inclut le bruit de tous les sous-pixels alors qu’il n’y a pas nécessairement de signal dans chaque sous-pixel.

Une particularité importante des ROI et du binning est que la dimension horizontale (c’est-à-dire le nombre de colonnes) de la ROI ou du super-pixel n’a aucune influence sur les vitesses d’imagerie. Cela signifie qu’une ROI de 32 x 32 ou de 32 x 512 et un binning de 2 x 2 ou de 2 x 1 atteignent la même fréquence d’images. Cela est dû au fait que lorsqu’une ligne est sélectionnée pour être lue, l’intégralité de la ligne doit être déplacée pixel par pixel à travers le registre de multiplication horizontal, même si elles ne sont pas d’intérêt.

Modes d'acquisition avancés

D’autres améliorations possibles consistent à réduire le temps de transfert d’image. Dans ces cas, il est nécessaire d’utiliser un masque optique, qui protège de la lumière toute la zone d’imagerie du capteur à l’exception du ROI. Il est alors possible d’utiliser le Crop Mode, qui optimise le transfert de charges afin de réaliser une lecture plus rapide et plus efficace des pixels exposés. Il y a un petit délai avant que la première image ne soit disponible, car il faut plusieurs transferts d’image partiels avant qu’elle n’atteigne le bas du capteur où elle pourra être lue.

Une autre méthode utilisant un masque optique est le mode d’acquisition en rafale (FKM), qui optimise à la fois le transfert de charge et omet la lecture pour stocker à la place plusieurs images ROI sur le capteur. Une fois le nombre d’images requis acquis, toutes les images stockées sur le capteur sont lues en même temps. Ainsi, le mode d’acquisition en rafale permet d’atteindre des temps d’exposition minimaux jusqu’à quelques microsecondes dans ces rafales d’images. Bien que ces temps d’exposition soient inégalés par d’autres méthodes d’acquisition, le mode d’acquisition en rafale ne permet pas d’acquisitions continues en raison de la lecture qui est retardée.

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