Le CCD à multiplication d’électrons (EMCCD) est une caméra CCD à laquelle est ajouté un registre de sortie de multiplication des électrons. Il est conçu pour éliminer l’effet néfaste du bruit de lecture intrinsèque aux dispositifs d’imagerie, les rendant nettement plus sensibles.
Le bruit de lecture génère de faux comptes à un niveau comparable à un signal de quelques photons. Lorsque le signal réel ciblé est proche ou inférieur à cette limite de bruit, il ne peut pas être identifié par la caméra. En amplifiant le signal jusqu’à plusieurs milliers de fois avec le gain EM, les caméras EMCCD rendent le bruit de lecture effectivement négligeable. Ainsi, les EMCCD peuvent offrir une sensibilité ultime pour l’observation des scènes les plus sombres, jusqu’à un signal d’un seul photon.
Les EMCCD supportent également des fréquences d’images plus rapides que les modèles CCD, et sont ainsies adaptés à l’imagerie en temps réel. Nüvü™ a complètement réinventé l’électronique de l’EMCCD pour réduire encore plus toute autre source de bruit, tel que le bruit thermique et l’injection de charges, permettant une sensibilité inégalée.
Un parent de la technologie des dispositifs à couplage de charge, la base de l’EMCCD est l’effet photoélectrique. Découvert par Albert Einstein, et pour lequel il a reçu un prix Nobel, l’effet photoélectrique est défini par un matériau qui génère des électrons (charges électriques) suite à une exposition aux photons (lumière).
La puce du capteur en silicium de l’EMCCD est conçue et construite pour maximiser le nombre de photoélectrons générés lorsqu’elle est exposée à la lumière, avec jusqu’à 95 % des photons convertis en électrons. Cela est réalisé en utilisant des dispositifs amincis et avec des revêtements anti-réfléchissants. La conversion des photons se produit dans une partie spécifique du capteur : la zone d’imagerie. Cette zone est organisée en rangées et en colonnes de pixels, qui peuvent être considérés comme des puits qui collectent les charges générées par l’effet photoélectrique. Cette matrice de pixels est ce qui formera une image reconnaissable.
Après l’exposition, les charges dans les pixels sont transférées à travers le capteur de la zone d’imagerie à la zone de stockage, protégée de la lumière. Cette zone de stockage est l’endroit où l’image est lue. L’utilisation ces deux zones permet à l’EMCCD d’exposer simultanément une nouvelle image pendant que la précédente est en cours de lecture, ce qui accélère l’acquisition. Cette architecture est appelée frame transfer, tandis que les caméras qui exposent et lisent séquentiellement sont appelées full frame.
Dans la zone de stockage, les charges de la rangée la plus basse du détecteur se déplacent pixel par pixel dans le registre de multiplication. Là, les charges de chaque pixel sont multipliées jusqu’à plusieurs milliers de fois. Ainsi, un signal entrant de même quelques photons peut être amplifié à des milliers de photoélectrons. C’est ce qu’on appelle la multiplication d’électron et c’est ce qui rend le bruit de lecture négligeable dans les EMCCD.
Enfin, les photoélectrons atteignent l’amplificateur de sortie où ils sont convertis en une tension et numérisés pour former une image. Alors que cette lecture doit être effectuée lentement dans les CCD conventionnels, les EMCCD peuvent fonctionner très rapidement puisque le bruit de lecture est négligeable. Ainsi, les EMCCD bénéficient à la fois d’une sensibilité supérieure et d’une fréquence d’image plus élevées.
