25/08/01Le capteur CCD à multiplication d'électrons est une évolution du capteur CCD permettant un fonctionnement à faible luminosité. Il est généralement conçu pour des signaux de quelques centaines de photoélectrons, jusqu'au comptage de photons individuels.
Cet article explique ce que sont les capteurs EMCCD, comment ils fonctionnent, leurs avantages et leurs inconvénients, et pourquoi ils sont considérés comme la prochaine évolution de la technologie CCD pour l'imagerie en basse lumière.
Qu'est-ce qu'un capteur EMCCD ?
Un capteur à couplage de charge multiplicateur d'électrons (EMCCD) est un type spécialisé de capteur CCD qui amplifie les signaux faibles avant leur lecture, permettant une sensibilité extrêmement élevée dans les environnements à faible luminosité.
Initialement développés pour des applications telles que l'astronomie et la microscopie avancée, les EMCCD peuvent détecter des photons uniques, une tâche difficile pour les capteurs CCD traditionnels. Cette capacité à détecter des photons individuels rend les EMCCD indispensables pour les domaines nécessitant une imagerie précise sous de très faibles niveaux de luminosité.
Comment fonctionnent les capteurs EMCCD ?
Jusqu'à la lecture, les capteurs EMCCD fonctionnent selon les mêmes principes que les capteurs CCD. Cependant, avant la mesure avec le CAN, les charges détectées sont multipliées par un processus appelé impactionisation, dans un registre de multiplication d'électrons. Sur plusieurs centaines d'étapes, les charges d'un pixel sont déplacées le long d'une série de pixels masqués à haute tension. À chaque étape, chaque électron a une chance d'en entraîner d'autres. Le signal est ainsi multiplié de manière exponentielle.
Un EMCCD bien calibré permet de choisir une valeur précise de multiplication moyenne, généralement entre 300 et 400 pour les travaux en basse lumière. Cela permet de multiplier les signaux détectés bien au-delà du bruit de lecture de la caméra, réduisant ainsi ce dernier. Malheureusement, la nature stochastique de ce processus de multiplication implique que chaque pixel est multiplié par une valeur différente, ce qui introduit un facteur de bruit supplémentaire et réduit le rapport signal/bruit (SNR) de l'EMCCD.
Voici une description détaillée du fonctionnement des capteurs EMCCD. Jusqu'à l'étape 6, le processus est pratiquement identique à celui des capteurs CCD.
Figure : Processus de lecture du capteur EMCCD
À la fin de leur exposition, les capteurs EMCCD déplacent d'abord rapidement les charges collectées vers un réseau masqué de pixels de mêmes dimensions que le réseau photosensible (transfert d'image). Ensuite, ligne par ligne, les charges sont transférées vers un registre de lecture. Colonne par colonne, les charges du registre de lecture sont transmises à un registre de multiplication. À chaque étape de ce registre (jusqu'à 1 000 étapes dans les caméras EMCCD réelles), chaque électron a une faible chance de libérer un électron supplémentaire, multipliant ainsi le signal de manière exponentielle. À la fin, le signal multiplié est lu.
1. Compensation des frais:Pour commencer l'acquisition, la charge est simultanément effacée de l'ensemble du capteur (obturateur global).
2. Accumulation de charges:La charge s'accumule pendant l'exposition.
3. Stockage de chargeAprès l'exposition, les charges collectées sont déplacées vers une zone masquée du capteur, où elles peuvent attendre la lecture sans que de nouveaux photons détectés soient comptés. Il s'agit du processus de « transfert de trame ».
4. Exposition de l'image suivante:Avec les charges détectées stockées dans les pixels masqués, les pixels actifs peuvent commencer l'exposition de l'image suivante (mode chevauchement).
5. Processus de lecture:Une ligne à la fois, les charges pour chaque ligne de la trame terminée sont déplacées dans un « registre de lecture ».
6. Une colonne à la fois, les charges de chaque pixel sont acheminées vers le nœud de lecture.
7. Multiplication d'électrons:Ensuite, toutes les charges électroniques du pixel entrent dans le registre de multiplication des électrons et se déplacent étape par étape, se multipliant de manière exponentielle à chaque étape.
8. Lire à haute voix:Le signal multiplié est lu par l'ADC et le processus est répété jusqu'à ce que la trame entière soit lue.
Avantages et inconvénients des capteurs EMCCD
Avantages des capteurs EMCCD
| Avantage | Description |
| Comptage de photons | Détecte les photoélectrons individuels avec un bruit de lecture ultra-faible (<0,2e⁻), permettant une sensibilité à un seul photon. |
| Sensibilité à la lumière ultra-faible | Nettement meilleur que les CCD traditionnels, surpassant parfois même les caméras sCMOS haut de gamme à des niveaux de lumière très faibles. |
| Faible courant d'obscurité | Le refroidissement en profondeur réduit le bruit thermique, permettant des images plus nettes lors de longues expositions. |
| Obturateur « demi-global » | Le transfert d'image permet une exposition quasi globale avec un décalage de charge très rapide (~ 1 microseconde). |
● Comptage de photons:Avec une multiplication électronique suffisamment élevée, le bruit de lecture peut être pratiquement éliminé (< 0,2 e-). Ceci, associé à un gain élevé et à une efficacité quantique quasi parfaite, signifie qu'il est possible de distinguer les photoélectrons individuellement.
● Sensibilité à la lumière ultra-faibleComparés aux CCD, les EMCCD offrent des performances nettement supérieures en basse lumière. Dans certaines applications, l'EMCCD peut offrir une meilleure capacité de détection et un meilleur contraste que les sCMOS haut de gamme, même aux niveaux de luminosité les plus faibles.
● Faible courant d'obscurité:Comme avec les CCD, les EMCCD sont généralement refroidis en profondeur et capables de fournir des valeurs de courant d'obscurité très faibles.
● Obturateur « Half Global »:Le processus de transfert d'image pour démarrer et terminer l'exposition n'est pas vraiment simultané, mais prend généralement de l'ordre d'une microseconde.
Inconvénients des capteurs EMCCD
| Inconvénient | Description |
| Vitesse limitée | Les fréquences d'images maximales (~30 ips à 1 MP) sont beaucoup plus lentes que les alternatives CMOS modernes. |
| Bruit d'amplification | La nature aléatoire de la multiplication des électrons introduit un bruit excessif, réduisant le rapport signal sur bruit. |
| Charge induite par l'horloge (CIC) | Le mouvement de charge rapide peut introduire de faux signaux qui sont amplifiés. |
| Plage dynamique réduite | Un gain élevé réduit le signal maximum que le capteur peut gérer avant de saturer. |
| Grande taille de pixel | Les tailles de pixels courantes (13 à 16 μm) peuvent ne pas correspondre à de nombreuses exigences du système optique. |
| Besoin important en refroidissement | Un refroidissement profond et stable est nécessaire pour obtenir une multiplication cohérente et un faible bruit. |
| Besoins d'étalonnage | Le gain EM se dégrade avec le temps (décroissance par multiplication), nécessitant un étalonnage régulier. |
| Instabilité d'exposition courte | Des expositions très brèves peuvent provoquer une amplification du signal et du bruit imprévisibles. |
| Coût élevé | La fabrication complexe et le refroidissement profond rendent ces capteurs plus chers que le sCMOS. |
| Durée de vie limitée | Le registre de multiplication des électrons s'use, généralement au bout de 5 à 10 ans. |
| Les défis de l'exportation | Soumis à des réglementations strictes en raison d'applications militaires potentielles. |
● Vitesse limitée:Les EMCCD rapides fournissent environ 30 ips à 1 MP, similaires aux CCD, mais des ordres de grandeur plus lents que les caméras CMOS.
● Introduction au bruit:Le « facteur de bruit excessif » causé par la multiplication aléatoire des électrons, comparé à une caméra sCMOS à faible bruit avec la même efficacité quantique, peut donner aux EMCCD un bruit considérablement plus élevé selon le niveau du signal. Le rapport signal/bruit (SNR) des sCMOS haut de gamme est généralement meilleur pour les signaux d'environ 3e-, et encore plus pour les signaux plus élevés.
● Charge induite par l'horloge (CIC):S'il n'est pas soigneusement contrôlé, le mouvement des charges à travers le capteur peut introduire des électrons supplémentaires dans les pixels. Ce bruit est ensuite multiplié par le registre de multiplication des électrons. Des vitesses de déplacement des charges plus élevées (fréquences d'horloge) entraînent des fréquences d'images plus élevées, mais un CIC plus important.
● Plage dynamique réduite:Les valeurs de multiplication d'électrons très élevées requises pour surmonter le bruit de lecture EMCCD conduisent à une plage dynamique considérablement réduite.
● Grande taille de pixel: La plus petite taille de pixel courante pour les caméras EMCCD est de 10 μm, mais 13 ou 16 μm sont les plus courants. Cette taille est bien trop grande pour répondre aux exigences de résolution de la plupart des systèmes optiques.
● Exigences d'étalonnage:Le processus de multiplication des électrons use le registre EM à l'usage, réduisant sa capacité de multiplication par un processus appelé « décroissance de la multiplication des électrons ». Cela signifie que le gain de la caméra varie constamment et qu'elle nécessite un étalonnage régulier pour réaliser une imagerie quantitative.
● Exposition incohérente à court terme:Lors de l'utilisation de temps d'exposition très courts, les caméras EMCCD peuvent produire des résultats incohérents car le signal faible est submergé par le bruit et le processus d'amplification introduit des fluctuations statistiques.
● Besoin important en refroidissementLe processus de multiplication des électrons est fortement influencé par la température. Le refroidissement du capteur augmente la multiplication des électrons disponible. Par conséquent, un refroidissement en profondeur du capteur tout en maintenant la stabilité de la température est essentiel pour des mesures EMCCD reproductibles.
● Coût élevé:La difficulté de fabrication de ces capteurs multi-composants, combinée à un refroidissement profond, conduit à des prix généralement plus élevés que les caméras à capteur sCMOS de la plus haute qualité.
● Durée de vie limitée:La décroissance par multiplication des électrons limite la durée de vie de ces capteurs coûteux, généralement de 5 à 10 ans, selon le niveau d'utilisation.
● Défis de l'exportation:L'importation et l'exportation de capteurs EMCCD tendent à être un défi logistique en raison de leur utilisation potentielle dans des applications militaires.
Pourquoi l'EMCCD succède au CCD
| Fonctionnalité | CCD | EMCCD |
| Sensibilité | Haut | Ultra-élevé (surtout en basse lumière) |
| Bruit de lecture | Modéré | Extrêmement faible (en raison du gain) |
| Plage dynamique | Haut | Modéré (limité par le gain) |
| Coût | Inférieur | Plus haut |
| Refroidissement | Facultatif | Généralement requis pour des performances optimales |
| Cas d'utilisation | Imagerie générale | Détection de photons uniques en basse lumière |
Les capteurs EMCCD s'appuient sur la technologie CCD traditionnelle en intégrant une étape de multiplication d'électrons. Cela améliore la capacité d'amplification des signaux faibles et de réduction du bruit, faisant des EMCCD le choix privilégié pour les applications d'imagerie en très faible luminosité, où les capteurs CCD sont insuffisants.
Principales applications des capteurs EMCCD
Les capteurs EMCCD sont couramment utilisés dans les domaines scientifiques et industriels qui nécessitent une sensibilité élevée et la capacité de détecter des signaux faibles :
● Imaging en sciences de la vieg : Pour des applications telles que la microscopie à fluorescence à molécule unique et la microscopie à fluorescence à réflexion interne totale (TIRF).
● Astronomie:Utilisé pour capturer la faible lumière des étoiles lointaines, des galaxies et des recherches sur les exoplanètes.
● Optique quantique:Pour les expériences d'intrication de photons et d'information quantique.
● Forensique et sécurité:Employé dans la surveillance en basse lumière et l'analyse des traces de preuves.
● Spectroscopie:En spectroscopie Raman et détection de fluorescence de faible intensité.
Quand choisir un capteur EMCCD ?
Avec les améliorations apportées aux capteurs CMOS ces dernières années, l'avantage des capteurs EMCCD en termes de bruit de lecture a diminué. Désormais, même les caméras sCMOS sont capables de générer un bruit de lecture subélectronique, parmi de nombreux autres avantages. Si une application a déjà utilisé des EMCCD, il est judicieux de vérifier si ce choix est le plus judicieux compte tenu des avancées du sCMOS.
Historiquement, les EMCCD permettaient encore un comptage de photons plus performant, tout comme quelques autres applications de niche avec des niveaux de signal typiques inférieurs à 3-5 e- par pixel au pic. Cependant, avec l'arrivée de pixels plus grands et d'un bruit de lecture sous-électronique,caméras scientifiquesBasées sur la technologie sCMOS, il est possible que ces applications puissent bientôt être réalisées avec du sCMOS haut de gamme.
FAQ
Quel est le temps d'exposition minimum pour les caméras à transfert d'images ?
Pour tous les capteurs à transfert d'image, y compris les EMCCD, la question du temps d'exposition minimal possible est complexe. Pour l'acquisition d'images uniques, l'exposition peut être interrompue en déplaçant les charges acquises dans la zone masquée pour une lecture très rapide, et des temps d'exposition minimaux courts (inférieurs à la microseconde) sont possibles.
Cependant, dès que la caméra est en mode streaming à pleine vitesse, c'est-à-dire qu'elle acquiert plusieurs images / un film à pleine cadence, dès que la première image est exposée, la zone masquée est occupée par cette image jusqu'à la fin de la lecture. L'exposition ne peut donc pas se terminer. Cela signifie que, quel que soit le temps d'exposition demandé par le logiciel, le temps d'exposition réel des images suivantes après la première acquisition multi-images à pleine vitesse est donné par le temps d'image, c'est-à-dire 1 / cadence, de la caméra.
La technologie sCMOS remplace-t-elle les capteurs EMCCD ?
Les caméras EMCCD présentaient deux caractéristiques qui leur ont permis de conserver leur avantage dans les scénarios d'imagerie en très faible luminosité (avec des niveaux de signal de crête de 5 photoélectrons ou moins). Premièrement, leurs grands pixels, jusqu'à 16 μm, et deuxièmement, leur bruit de lecture inférieur à 1 e.
Une nouvelle génération decaméra sCMOSUne nouvelle caméra a émergé, offrant les mêmes caractéristiques, sans les nombreux inconvénients des EMCCD, notamment le bruit excessif. Des caméras comme l'Aries 16 de Tucsen offrent des pixels rétroéclairés de 16 μm avec un bruit de lecture de 0,8 e-. Avec un faible bruit et des pixels nativement grands, ces caméras surpassent également la plupart des caméras sCMOS à compartiments, grâce à la relation entre le compartimentage et le bruit de lecture.
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L’EMCCD peut-il être remplacé et le voudrions-nous un jour ?
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