Qu’est-ce qu’une caméra EMCCD ?
Une caméra EMCCD est une caméra CCD capable de détecter de faibles niveaux de lumière grâce à un élément CCD multiplicateur d’électrons.
Lorsqu’une caméra CCD ordinaire détecte de la lumière, une certaine quantité de lumière vive est nécessaire. Lorsque la lumière est convertie en signaux électriques, une certaine quantité de bruit est ajoutée.
Même si une faible lumière est convertie en signal électrique, elle est noyée dans le bruit, de sorte qu’il est impossible d’obtenir une image d’une intensité suffisante. Lors de la détection de la lumière et de sa conversion en signaux électriques, les caméras EMCCD sont capables de détecter celle qui est faible. En effet, leur capteur CCD possède une fonction de doublement électronique.
Utilisations des caméras EMCCD
Les principales utilisations des caméras EMCCD sont les microscopes et les télescopes. La zone d’observation d’un microscope est très étroite et la luminosité de la zone d’observation est renforcée par une ouverture ainsi qu’un réflecteur. Toutefois, la quantité de lumière reste insuffisante lorsque l’image est capturée par une caméra CCD ordinaire.
Par conséquent, les signaux électriques convertis à partir de la lumière sont noyés dans le bruit. En revanche, une caméra EMCCD peut convertir et amplifier cette faible lumière en signaux électriques d’intensité suffisante. Elles servent également à compenser la faible intensité lumineuse lors de la photographie d’objets peu lumineux à l’aide de télescopes.
Principe des caméras EMCCD
1. Mécanisme du capteur CCD
Un CCD (Charge Coupled Device) est un dispositif à couplage de charge qui convertit la lumière en signaux électriques. Alors qu’un film d’halogénure d’argent est utilisé dans la zone sensible à la lumière des appareils photo argentiques conventionnels (appareils photo utilisant un film), les capteurs CCD le sont dans celle de nombreux appareils photo numériques.
Les capteurs CCD sont constitués de petits éléments (photodiodes) appelés “pixels”. La photodiode convertit la lumière en une charge électrique et le capteur CCD émet la charge sous forme de courant électrique pour produire une image.
2. Fonctionnement de l’EMCCD
En raison des caractéristiques du courant induites par le bruit, le signal électrique est noyé dans le bruit en cas de faible luminosité. Cela rend l’obtention d’une image appropriée impossible. Le capteur EMCCD double donc la charge convertie à partir de la lumière jusqu’à un niveau où elle n’est pas affectée par le bruit.
En doublant la charge, le signal électrique est également doublé, de sorte que l’ombrage de l’image de sortie devient plus clair. Ainsi, même dans les microscopes, les télescopes et d’autres dispositifs où de faibles niveaux de lumière doivent être détectés, les caméras EMCCD peuvent être utilisées. Elles permettent ainsi d’acquérir des images avec suffisamment d’ombres, les rendant lisibles.
Structure de la caméra EMCCD
La caméra EMCCD se compose d’une partie capteur CCD et de deux mécanismes appelés “registres de gain”.
1. Partie capteur CCD
Des puits de potentiel sont créés en appliquant différentes tensions à des électrodes sur la surface du substrat de silicium de l’unité du capteur CCD. Lorsque la lumière est reçue par le capteur CCD, une charge est générée par l’effet photoélectrique.
Une fois la charge capturée dans le puits de potentiel, elle est numérisée par un convertisseur CA dans les CCD conventionnels. Dans les EMCCD, en revanche, la charge est transportée vers le registre de gain pour être doublée avant d’être numérisée.
2. Registre de gain
Le registre de gain est un mécanisme permettant de doubler la charge envoyée par la section du capteur CCD. Il utilise le phénomène d’ionisation par impact par lequel un champ électrique élevé est appliqué pendant le transfert d’électrons. Il permet ainsi de créer une nouvelle paire électron-trou dans un état de haute énergie.
Autres informations sur les caméras EMCCD
Facteurs de bruit
Le bruit de l’EMCCD peut être classé dans les quatre catégories suivantes, chacune d’entre elles nécessitant des contre-mesures :
1. Bruit de motif fixe
Il s’agit du bruit résultant des variations de la sensibilité de chaque pixel du capteur CCD.
2. Le bruit de tir
Il s’agit d’un bruit qui dépend du nombre de photons incidents sur le capteur CCD. Lorsque le nombre de photons augmente, le bruit de grenaille augmente également.
3. Bruit d’obscurité
Le courant généré dans le capteur CCD en l’absence d’entrée de photons est appelé “courant d’obscurité”. Le bruit d’obscurité est causé par le courant d’obscurité. Il peut donc être réduit lorsque ce dernier est réduit.
4. Bruit de lecture
Il s’agit du bruit causé par le matériel qui compose la caméra, y compris le capteur CCD.