Le potentiel immense de cette technologie ne commence qu’à voir le jour et on se doit de pleinement l’appréhender. Les applications suivantes d’EMCCD au sol et dans l’espace ne sont que la pointe de l’iceberg.
Avec l’accroissement des missions spatiales, une forte densité de débris spatiaux s’est accumulée dans l’atmosphère terrestre. Afin de protéger les infrastructures qui y sont en orbite, tels les satellites de télécommunications, il existe une demande croissante pour le suivi de ces débris.
Plus loin, parfois aux confins du système solaire, l’orbite de certains astéroïdes et comètes peuvent croiser celle de la Terre. Ces objets, surnommés Near Earth-Objects (NEO), menaceraient la vie telle que nous la connaissons s’ils entraient en collision avec notre planète. L’identification de tous ces objets de plus de 100 mètres de diamètre qui pourraient frapper la Terre revêt ainsi une grande importance.
Tout débris spatial de plus d’un centimètre constitue une menace pour les appareils en orbite autour de notre planète et requiert une grande sensibilité afin d’être détecté. De plus, un dispositif d’imagerie doit discriminer ces objets des sources de bruit comme les rayons cosmiques qui peuvent en affecter la mise au point. De la même façon, les NEO sont des objets de très faible luminosité qui imposent une excellente sensibilité sur les détecteurs pour en déterminer les trajectoires.
Avec le CCCP, une technologie brevetée qui réduit l’injection de charge, les caméras Nüvü™ sont conçues pour l’imagerie de précision à faible flux. À ce jour, la sensibilité de ses caméras est inégalée. Par ailleurs, les produits de Nüvü Camēras ont une grande efficacité quantique et de grandes vitesses d’acquisition qui mènent à de courts temps d’intégration, limitant ainsi l’impact des rayons cosmiques sur la qualité des clichés acquis.
R.L. Scott (Recherche et développement pour la recherche Canada) et A. Ellery (Université de Carleton) ont étudié un système de repérage de satellites au sol pour leur entretien en orbite — pouvant ainsi mener à la réduction de débris spatiaux — avec une caméra EMCCD EM N2 1024 de Nüvü™ montée au télescope de 1,6 m du Mont-Mégantic. Ils ont démontré le potentiel de suivi au sol de ces objets pour les futures missions d’entretien de satellites.
Peter Brown et son équipe de la University of Western Ontario ont produit un vaste corpus de travaux en physique des météores. Ils se sont notamment intéressés à l’observation de la ceinture de Kuiper, particulièrement dans le but de caractériser la distribution de petits objets typiquement indétectables de l’ordre du kilomètre par l’occultation stellaire. En utilisant les EMCCD HNu1024 de Nüvü, ils ont réalisé leurs observations avec succès et validé leurs méthodes, pavant la voie pour un réseau spécialisé de télescopes et bien des mesures à venir d’objets de la ceinture de Kuiper.
La surveillance des phénomènes côtiers est essentielle pour de nombreuses agences gouvernementales : par exemple, elle fournit d’importantes informations sur les populations de poissons, les routes de transit maritime ou encore permet de prédire le comportement du climat de ces régions. De telles données, acquises par le sondage de colonnes d’eau océaniques, peuvent réduire les risques de la navigation maritime, de l’exploration en mer et du peuplement côtier.
La surveillance côtière demande des systèmes d’imagerie qui opèrent dans les longueurs d’onde du visible et du proche infrarouge, mais de tels dispositifs possèdent une efficacité quantique limitée dans ce spectre. De plus, il n’y a que 20 % de la lumière réémise par les océans qui peut être détectée compte tenu de la diffusion atmosphérique ainsi que de la réflexion de la lumière à la surface de l’eau. Par conséquent, ce signal est très faible.
De récentes études ont obtenu d’intéressants résultats en employant des détecteurs EMCCD tels que la HNü. Avec sa remarquable sensibilité dans le visible et le proche infrarouge ainsi que ses performances pour le comptage de photons, la technologie de Nüvü Camēras améliorera la précision et la diversité des données des phénomènes affectant les régions côtières et les fonds marins.
L’article The Darkest EMCCD Ever démontre que le faible niveau de bruit du EMCCD atteint grâce au contrôleur de caméra breveté CCCP de Nüvü™ permet d’accroître l’efficacité des télescopes et d’élargir leurs plages d’observation.
L’observation de la Terre à partir de l’espace apporte une perspective différente mais fondamentale quant à la protection et la durabilité de l’environnement. L’imagerie de la face sombre de la Terre au cours de la nuit fournirait un regard plus complet des changements climatiques et environnementaux qui affectent la vie humaine.
Développée pour l’imagerie à faible luminosité, la technologie EMCCD rencontre sa limite dans des conditions se rapprochant de l’obscurité totale. En effet, le bruit de lecture est trop grand pour collecter des données précises. À ce problème, contourné par la méthode du comptage de photons, s’ajoute l’injection de charge qui devient alors la source dominante de bruit.
L’effet de l’injection de charge sur le bruit de lecture peut être atténué, voire éliminé, en modulant de façon appropriée l’injection de charge du contrôleur de la caméra. C’est ce qu’offre Nüvü Camēras avec son contrôleur CCCP qui réduit le bruit de lecture du EMCCD à moins d’un électron par pixel. Cette innovation brevetée permet le comptage de photons avec la meilleure efficacité quantique et un excellent transfert de charge pour des résultats concluants même dans les conditions d’obscurité presque totale.
Près de 2000 planètes extrasolaires ont été identifiées, la plupart étant des géantes gazeuses de tailles similaires à Jupiter ou à Neptune. Pourtant, ce n’est que la pointe de l’iceberg : les astronomes estiment qu’en moyenne chaque étoile de le Voie Lactée aurait un compagnon planétaire. Néanmoins, la plupart des détections d’exoplanètes sont indirectes et se basent sur l’observation de la variation de la luminosité d’une étoile induite par son compagnon (voir la section Imagerie des transits d’exoplanètes). Dans une quête pour découvrir d’autres planètes analogues à la Terre, les astronomes se tournent maintenant vers leur observation directe, étudiant la lumière d’une étoile réfléchie par la surface de la planète en masquant la luminosité de l’hôte à l’aide d’un coronographe.
Une telle émission est extrêmement faible. La luminosité d’une planète similaire à Jupiter est environ 100 000 fois plus petite que celle de son étoile-hôte. Dans le cas d’une planète comme la Terre, la lumière réfléchie est quant à elle près de 10 milliards de fois plus faible que celle de l’étoile à proximité. L’imagerie ou la spectroscopie directe d’exoplanètes requiert donc un dispositif capable de détecter le peu de photons qui nous parviennent de la surface de la planète, et ils sont rares.
L’observation directe de planète extrasolaire nécessite le capteur le plus sensible qu’il soit, et les caméras fabriquées par Nüvü™ sont parfaitement adaptées pour une application aussi exigeante. La révolutionnaire technologie CCCP de Nüvü Camēras garantit les plus bas niveaux d’induction de charges alors que son système de refroidissement thermoélectrique innovant garantit un minimum de courant d’obscurité. Le résultat est un appareil qui permet de détecter chaque photon émis par une planète semblable à la Terre qui pourrait abriter la vie.
Les résultats du Jet Propulsion Laboratory suite à la caractérisation du EMCCD pour la mission spatiale Nancy Grace Roman ont été obtenus grâce à la caméra EMN2 de Nüvü™. Le télescope spatial Nancy Grace Roman est un observatoire astronomique de la NASA en voie de conception pour répondre à des questions essentielle comme dans le domaine des exo-planètes.
Ashlee Wilkins, de l’Université du Maryland, a partagé les résultats de la caractérisation de la caméra HNü 512 de Nüvü Camēras obtenu en collaboration avec le Goddard Space Flight Center de la NASA.
Avec une feuille de route incluant la mission Nancy Grace Roman, Nüvü est en discussions avec plusieurs équipes travaillant sur des projets d’observatoires futurs visant l’étude d’exoplanètes. Notamment le Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR), une télescope spatial de nouvelle génération, et l’observatoire Atacama Large Aperture Submillimeter Telescope (ATLAST).
Bernard J. Rauscher, du NASA Goddard Space Flight Center, a présenté les résultats de la caractérisation des besoins du détecteurs ATLAST pour une exploration spatiale.
En passant devant une étoile, une exoplanète modifie le flux lumineux émis par celle-ci. De nombreuses caractéristiques de cet astre peuvent alors être déduites de ces variations de luminosité dans le temps : composition atmosphérique, taille, masse et rayon.
Représentation schématique d’une courbe de lumière d’une planète en transit devant son étoile.
Lors du transit de l’exoplanète, les premiers et les derniers instants du phénomène revêtent une importance cruciale : ces moments sont ceux qui cachent les différentes propriétés de l’astre. De telles informations peuvent toutefois se perdre au cours de l’intégration de l’image lorsque la caméra est moins sensible ou moins rapide. De la même façon, la forme de la courbe de lumière d’une planète évoluant près de son étoile peut être difficile à distinguer.
CCCP, Nüvü Camēras’ EMCCD innovative controller, achieves very high speeds while multiplying the signal to obtain a much superior SNR. The inherently lower readout noise offers a tenfold increase of an optical system’s efficiency, leading to a tremendous improvement in precision, richness, and reliability of transient events’ light curves.
Dans l’atmosphère, l’air se déplace sous forme de bulles d’une vingtaine de centimètres transportées par les vents et les courants convectifs. Chaque poche d’air possède sa propre température et sa propre densité, donc un indice de réfraction unique qui affecte différemment la lumière qui y voyage. Lorsque ces bulles se déplacent et se fusionnent, elles réfractent les rayons lumineux, dégradant le signal détecté au télescope. Ces turbulences limitent ainsi la capacité d’un télescope à atteindre sa résolution théorique.
Tandis que le lucky imaging « fige » les turbulences atmosphériques en acquérant des images plus rapidement que ses fluctuations, l’optique adaptative reconstruit le chemin des rayons lumineux à travers l’atmosphère et corrige la forme du miroir primaire pour aplanir le front d’onde entrant. En observant une étoile guide, artificielle ou non, une caméra échantillonne sa structure en temps réel; subséquemment, elle envoie un signal à des dizaines d’actuateurs qui modifieront la forme du miroir primaire. La lumière qui parvient au télescope est ainsi corrigée afin d’en atteindre les performances théoriques. Une fois de plus, la vitesse est clé pour contrer l’atmosphère terrestre.
La technologie de Nüvü Camēras est toute indiquée pour l’intégration dans les systèmes d’optique adaptative grâce à ses vitesses d’acquisition et de lecture (jusqu’à 20 MHz), son faible bruit et sa sensibilité exceptionnelle. Son efficacité quantique accrue sur les plages du visible et du proche infrarouge permet également un bon échantillonnage des distorsions du front d’onde en fonction de son passage dans les bulles d’air. Dans les faits, les caméras de Nüvü™ répondent à tous les critères imposés par l’optique adaptative.
L’équipe à l’observatoire Gemini South développe un analyseur de front d’onde pyramidal intégrant une caméra HNü 240 de Nüvü™ pour leur Gemini Planet Imager.
Daniel Hölck-Santibanez, de Durham University, a présenté le système d’optique adaptative utilisé sur le télescope WHT 4.2m.
Prof. Christoph Baranec au Institute for Astronomy of Hawaii a développé un instrument autonome utilisant l’optique adaptative avec la capacité de réaliser des campagnes d’observation à grande échelle.
Le HiCIBaS (High Contrast Imaging Balloon System) est un télescope porté par un ballon dont le but principal est de démontrer l’utilité d’équipement d’imagerie à haut contraste à bord d’un vol de ballon stratosphérique. Les buts de cette mission étaient de développer et tester un nouveau type de capteur de front d’onde de faible ordre, développer et tester un système de pré-calibrage sous le niveau de la milli-arcseconde, prélever des données et étudier les instabilités et les erreurs des fronts d’onde en haute altitude, tester des composantes optiques (mirroir déformable, coronographe) pour de futures missions d’imagerie à haut contraste et tester la technologie dans des conditions similaires à celles dans l’espace.
Hicibas – la mission par ballon. Image de COPL.
NüSpace est la prochaine étape suite aux travaux de Nüvü sur le télescope spatial Roman Grace, où la première électrionique de lecture d’EMCCD spatio-qualifiée a été développée. Pour adapter la technologie à la plateforme de nanosatellites, il était nécessaire de réduire la consommation en puissance, l’espace, et le coût. NüSpace est la réponse aux besoins du domaine et apporte la sensiblité de l’EMCCD à une variété de nouvelles applications d’imagerie basées dans l’espace.
Difficile à détecter au sol en raison de son absorption dans l’atmosphère terrestre, le rayonnement ultraviolet (UV) se révèle être une incroyable mine d’informations : cette portion du spectre dévoile notamment la composition chimique des étoiles les plus chaudes ainsi que les caractéristiques du milieu interstellaire de notre galaxie ou au-delà. Pour maximiser ces applications, il faut toutefois une détection efficace de ce rayonnement énergétique.
Bien que la technologie CCD ait grandement contribué à déceler de nouvelles sources UV, elle offre des performances limitées avec une faible efficacité quantique et un important bruit de lecture. Ces facteurs nuisent au rapport signal sur bruit (RSB) et mènent à de mauvais résultats en conditions de faible luminosité ou en acquisitions rapides.
En mode d’acquisition analogique (CCD), la caméra HNü de Nüvü™, fabriquée avec des composantes de qualité supérieure, atteint le maximum d’efficacité quantique à l’aide des technologies actuelles. De plus, grâce au processus de multiplication d’électrons (EM), les EMCCD réduisent le bruit inhérent à la lecture et augmentent ainsi la résolution des acquisitions. Le contrôleur CCCP de Nüvü Camēras offre des performances où le RSB peut être multiplié par un ordre de grandeur. Pour cette raison, on envisage même d »intégrer cette technologie dans la nouvelle génération de télescopes spatiaux dédiés à l’imagerie à grand champ dans l’UV et le spectre visible.
Erika T. Hamden, du California Institute of Technology (Département Astronomie), a partagé les résultats d’une expérience conçue pour des observations d’émissions très faible flux à l’aide d’une caméra EMCCD de Nüvü.
La spectroscopie à haute résolution est abondamment employée en astronomie, de l’étude des galaxies à fort décalage vers le rouge à l’observation de nano-éruptions stellaires. Cette méthode fournit des détails très précis sur le spectre d’énergie des photons incidents; elle révèle également des évènements qui se déroulent sur de courtes périodes de temps.
Les résolutions temporelle et spectrale dépendent grandement d’un nombre photons collectés par un pixel. D’un côté, une haute résolution spectrale demande la détection d’une portion très restreinte du signal diffracté. D’un autre côté, une haute résolution temporelle exige un riche échantillonnage d’un phénomène dans le temps, nécessitant de courts temps d’intégration. Dans les deux cas, le signal qui atteindra la caméra sera très faible. La détection de chaque photon requiert un excellent rapport signal sur bruit (RSB) afin qu’il se distingue du bruit. Des sources de bruit variant dans le temps, comme le courant d’obscurité, limiteront la résolution spectrale tandis que les sources de bruit fixes (bruit de lecture, injection de charge) affecteront la résolution temporelle.
Le contrôleur CCCP innovateur de Nüvü Camēras génère la plus petite injection de charge pour tout EMCCD. Combiné à des acquisitions à haut gain et un mode de comptage de photons, ces détecteurs garantissent un bruit de lecture minimal et un signal maximal, idéal pour l’acquisition de données à haute résolution temporelle. Par ailleurs, avec un courant d’obscurité minime, les caméras HNü de Nüvü™, refroidies par effet Peltier, sont tout indiquées pour effectuer des mesures de plusieurs secondes en régime de haute résolution spectrale. Dans les faits, ces produits ne présentent aucun désavantage pour la spectroscopie à haute résolution.
L’article The Characterization results of EMCCDs for extreme low-light imaging décrit comment les caméras de Nüvü Camēras atteignent un plancher de bruit faible, et ce, même à grandes vitesses de lecture.
MOVIES est un spectrographe échelle à large bande et résolution modérée dans le visible et l’infra-rouge proche qui couvre simultanément de 0,36 à 2,45µm. Il est supporté par une caméra EMCCD 16MPixel à acquisition rapide opérant simultanément dans deux bandes visibles et une bande infra-rouge proche. MOVIES est conçu pour obtenir des spectres de l’Univers lointain avec un rendement, une efficacité et une fiabilité élevées. Il est équipé du même spectrographe à longue fente incontournable pour suivre les mêmes objets lointains que détecteront les futures installations telles que LSST, le Nancy Grace Roman Space Telescope et DESI, et sera un instrument précieux for les ELT. MOVIES est essentiellement un spectrographe à domaine temporel, un spectrophotomètre de précision, ainsi qu’un instrument robuste pour la communauté Gemini.
Les informations sur MOVIES proviennent du site web de Gemini.
Pour les applications qui ne sont pas limitées par le bruit quantique (shot noise), un instrument d’imagerie comportant le bruit de lecture le plus faible possible est primordial pour des acquisitions de haute qualité. À cet effet, le bruit de lecture de moins d’un électron que présente un EMCCD est idéal pour de telles applications. Toutefois, étant donné la nature stochastique du gain EM qui permet un si faible bruit de lecture, le EMCCD est affecté par une autre source de bruit, l’ENF. Ce dernier présente le même effet sur le rapport signal sur bruit (RSB) que si l’efficacité quantique était réduite de moitié.
Afin de récupérer la pleine capacité du EMCCD, on peut opérer le système en mode comptage de photons dans lequel seulement un photon par pixel peut être observé. Pour une plage dynamique plus étendue, les images peuvent être superposées et seuillées en conséquence. Pour ce faire, les observations doivent être effectuées à de très faibles flux de lumière ou à de hautes vitesses. Cependant, dans de telles conditions, l’injection de charge (CIC pour clock-induced charges) devient la source de bruit dominante du EMCCD. Or, le mode comptage de photons est complètement inefficace avec une injection de charge élevée et un gain insuffisant.
Dès le départ, le contrôleur CCCP des caméras Nüvü™ a été développé dans l’objectif de maîtriser efficacement la principale source de bruit en comptage de photons : l’injection de charge. Le CCCP (contrôleur CCD pour compter les photons) de Nüvü Camēras répond aux besoins des astronomes contemporains en réduisant significativement le CIC, ce qui permet une utilisation efficace d’un gain plus élevé et fait une différence clé dans les performances d’imagerie.
Avec une telle réduction du bruit, il n’y a presque pas d’inconvénients à prendre des images à haute résolution et à ensuite les traiter dans le but de choisir la résolution spectrale et/ou le RSB désiré. De fait, ce processus est en train de changer la façon dont les astronomes utilisent la spectroscopie, puisqu’on peut maintenant choisir de traiter les images temporellement ou encore spectralement avec n’importe quelle précision, tout en suivant les phénomènes dynamiques à plus grande échelle à même les images à haute résolution originales.
Des questions sur l'EMCCD ou l'imagerie à faible flux lumineux ? Les experts de Nüvü Camēras peuvent vous conseiller sur les options d'imagerie en basse lumière.
