22/05/2024Les capteurs EMCCD ont été une révélation : augmenter la sensibilité en réduisant le bruit de lecture. Enfin, presque ; plus réalistement, on augmentait le signal pour faire paraître le bruit de lecture plus faible.
Et nous les avons adorés ; ils ont immédiatement trouvé leur place dans les travaux sur les signaux faibles, comme l’imagerie de molécules uniques et la spectroscopie, puis se sont répandus chez les fournisseurs de systèmes de microscopie pour des applications telles que la microscopie à disque rotatif, la super-résolution et bien plus encore. Et puis nous les avons abandonnés. Ou du moins, c’est ce que nous avons cru.
L'histoire de la technologie EMCCD est intimement liée à deux fournisseurs clés : e2V et Texas Instruments. E2V, aujourd'hui Teledyne e2V, a lancé ce secteur avec les premiers capteurs à la fin des années 1990, mais a réalisé de véritables progrès avec la variante la plus répandue, dotée d'une matrice de 512 × 512 pixels de 16 microns.
Ce premier capteur EMCCD, probablement le plus dominant, a eu un impact considérable, en grande partie dû à la taille des pixels. Les pixels de 16 microns d'un microscope captaient six fois plus de lumière que le CCD le plus répandu à l'époque, l'ICX285, équipant les célèbres gammes CoolSnap et Orca. Outre la taille des pixels, ces dispositifs étaient rétroéclairés, convertissant 30 % de photons supplémentaires et portant ainsi la sensibilité de six à sept fois supérieure.
En fait, la sensibilité de l'EMCCD était sept fois supérieure avant même sa mise en marche et l'obtention des résultats escomptés. Bien sûr, on pourrait envisager le binning du CCD ou l'utilisation d'optiques pour agrandir les pixels, mais la plupart des développeurs ne l'ont pas fait.
Au-delà de ça, obtenir un bruit de lecture inférieur à 1 électron était crucial. C'était crucial, mais cela avait un coût. Le processus de multiplication augmentait l'incertitude de la mesure du signal, ce qui signifie que le bruit de grenaille, le courant d'obscurité et tous les autres facteurs présents avant la multiplication étaient multipliés par 1,4. Alors, qu'est-ce que cela impliquait ? Eh bien, cela signifiait que la caméra EMCCD était plus sensible, mais seulement en faible luminosité. Or, c'est justement dans ces conditions qu'on en a besoin, non ?
Face à un capteur CCD classique, il n'y avait pas photo. Gros pixels, QE supérieur, gain EM. Et nous étions tous ravis, surtout ceux d'entre nous qui travaillaient dans la vente d'appareils photo : 40 000 $, s'il vous plaît…
Les seuls aspects que nous aurions pu améliorer étaient la vitesse, la surface du capteur et (même si nous ne savions pas que c'était possible) une taille de pixel plus petite.
Puis sont apparus les contrôles à l'exportation et les exigences de conformité, et ce fut loin d'être simple. Il s'avère que le suivi de molécules individuelles et celui des fusées présentent des similitudes, et les fabricants d'appareils photo et leurs clients ont dû contrôler les ventes et les exportations de leurs appareils.
Puis est arrivée la technologie sCMOS, promettant monts et merveilles, et la concrétisant presque pleinement au cours des dix années suivantes. Des pixels plus petits ont permis d'atteindre les 6,5 microns tant appréciés pour les objectifs 60x, le tout avec un bruit de lecture réduit à environ 1,5 électron. Certes, ce n'était pas encore l'EMCCD, mais comparé aux 6 électrons de la technologie CCD équivalente de l'époque, c'était tout simplement incroyable.
Les premiers capteurs sCMOS étaient encore à illumination frontale. Mais en 2016, les capteurs sCMOS à illumination arrière sont apparus, et pour les rendre encore plus sensibles que les versions à illumination frontale d'origine, ils étaient dotés de pixels de 11 microns. Grâce à l'amélioration du rendement quantique et à l'augmentation de la taille des pixels, les clients avaient l'impression de bénéficier d'un gain de 3,5 fois.
Finalement, en 2021, le seuil de bruit de lecture inférieur à 0,25 électron a été franchi, certaines caméras atteignant des niveaux aussi bas que 0,25 électron – c'en était fini pour les EMCCD.
Ou était-ce…
En fait, la taille des pixels reste un problème. On peut certes réaliser toutes les prouesses optiques, mais sur un même système, un pixel de 4,6 microns capte 12 fois moins de lumière qu'un pixel de 16 microns.
On pourrait certes utiliser le binning, mais il faut se rappeler qu'avec un capteur CMOS classique, le bruit augmente proportionnellement au facteur de binning. Ainsi, la plupart des utilisateurs se contentent de pixels de 6,5 microns, pensant pouvoir améliorer la sensibilité grâce au binning, mais ils doublent en réalité leur bruit de lecture, le portant à 3 électrons.
Même si le bruit peut être réduit, la taille des pixels, et la capacité du puits de potentiel d'ailleurs, restent un compromis pour une véritable collecte de signal.
L'autre aspect important est le gain et le contraste : un plus grand nombre de niveaux de gris et un découpage plus fin du signal permettent d'obtenir un meilleur contraste. On peut avoir le même niveau de bruit, mais avec seulement deux niveaux de gris par électron sur un capteur CMOS, la marge de manœuvre est très limitée lorsqu'on ne dispose que de cinq électrons de signal.
Enfin, qu'en est-il de l'obturation ? J'ai parfois l'impression que nous oublions à quel point cet outil était puissant dans le domaine des capteurs EMCCD : les obturateurs globaux sont vraiment utiles et très efficaces en termes de légèreté et de vitesse, notamment dans les systèmes multicomposants complexes.
La seule caméra sCMOS que j'aie vue qui se rapproche du capteur EMCCD 512 x 512 est l'Aries 16. Elle utilise des pixels de 16 microns et offre un bruit de lecture de 0,8 électron sans regroupement de pixels. Pour les signaux supérieurs à 5 photons (par pixel de 16 microns), je pense que c'est la meilleure que j'aie vue, et elle coûte environ deux fois moins cher.
L'EMCCD est-elle donc morte ? Non, et elle ne disparaîtra vraiment que lorsqu'on retrouvera une technologie aussi performante. Le problème, ce sont tous les problèmes : bruit excessif, vieillissement du gain, contrôles à l'exportation…
Si la technologie EMCCD était un avion, ce serait un Concorde. Tous ceux qui ont volé à son bord l'ont adoré, mais ils n'en avaient probablement pas besoin. Aujourd'hui, avec des sièges plus larges et des lits plats, autant dormir ces trois heures supplémentaires pour traverser l'Atlantique.
EMCCD, contrairement à Concord, existe encore parce que certaines personnes – un petit nombre, en constante diminution – en ont encore besoin. Ou peut-être le croient-elles seulement ?
L'utilisation d'une caméra EMCCD, la technologie d'imagerie la plus coûteuse, la plus complexe et la plus répandue, ne fait pas de vous une personne spéciale ni un expert en imagerie ; vous faites simplement quelque chose de différent. Et si vous n'avez pas encore essayé le changement, vous devriez probablement le faire.
