Astronomie

Pionniers du comptage de photons

Comme elle observe des scènes où lumière se fait rare, l’astronomie a toujours été à la fine pointe de l’imagerie; elle est constamment à la recherche de technologies innovantes pour poursuivre sa perpétuelle découverte du cosmos. En seulement cinq ans, les caméras et la technologie du comptage de photons de Nüvü Camēras ont été éprouvées par des groupes de recherche de premier et plan, et ce, à l’échelle internationale.

Le Goddard Space Flight Center de la NASA et l’Université du Maryland ont conclu que Nüvü Camēras est modeste lorsqu’elle expose les spécifications de ses produits.

Characterization of a photon counting EMCCD for space-based high contrast imaging spectroscopy of extrasolar planets

En effet, les caméras de Nüvü, conçues et optimisées pour le comptage de photons, augmentent radicalement l’efficacité de l’instrumentation terrestre et spatiale pour l’imagerie de l’Univers, voire pour des avenues de recherche inédites.

Utilisation d’une caméra EM N2 de Nüvü Camēras à l’observatoire du Mont Mégantic (Canada).

RSB SUPÉRIEUR POUR DÉPASSER LES FRONTIÈRES DE LA RECHERCHE

De nouveaux systèmes optiques conçus et optimisés pour la technologie de pointe de Nüvü Camēras génèrent un engouement pour la conception d’instruments d’astronomie dans l’espace.

Pour en savoir plus sur les applications spatiales envisagées pour la technologie EMCCD de Nüvü Camēras, consultez cet article écrit avec l’aimable autorisation d’Oleg Djazovski de l’Agence spatiale canadienne.

Electron-Multypling CCDs for Future Space Instruments

ABB Inc. a présenté les contributions des études canadiennes pour l’instrument coronographe de la mission spatiale WFIRST.

Canadian Technologies for the Wfirst Coronograph; the next US Astronomy Flagship Mission

ABB Inc. a présenté les potentielles technologies canadiennes pour le coronographe de la mission spatiale WFIRST.

Canadian Contributions Studies for the WFIRST Instruments

COM DEV a présenté les effets de radiation sur les détecteurs EMCCD pour leur utilisation dans de futures missions spatiales.

The effect of proton radiation on the EMCCD for a low Earth orbit satellite mission 

Leon K. Harding, du Jet Propulsion Laboratory, a présenté les résultats de la caractérisation d’une caméra EMCCD de Nüvü dans l’environnement spatial du coronographe WFIRST.

Technology advancement of the CCD201-20 EMCCD for the WFIRST coronograph instrument

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Avantages des EMCCDs pour l’imagerie dans l’espace

Observation directe d’exoplanètes

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.

Un contraste étoile/planète de 10 milliards

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.

Une plus grande sensibilité pour découvrir de nouvelles Terres

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.

Space telescope design to directly image the habitable zone of Alpha Centauri

Démonstration : Le projet WFIRST

Les résultats du Jet Propulsion Laboratory suite à la caractérisation du EMCCD pour la mission spatiale WFIRST ont été obtenus grâce à la caméra EMN2 de Nüvü™. WFIRST est un observatoire astronomique de la NASA en voie de conception pour répondre à des questions essentielle comme dans le domaine des exo-planètes.

Technology advancement of the CCD-201-20 EMCCD for the WFIRST coronograph instrument: sensor characterization and radiation

Démonstration : Le projet MAPLE

Christian Marois du Conseil national de recherches du Canada a présenté un projet de ballon stratosphérique, connu sous le nom de Mission to find A Planet Like Earth (MAPLE), pour l’acquisition d’images de planètes extrasolaires en utilisant des HNü 512 et 1024 de Nüvü Camēras.

MAPLE: Reflected Light from Exoplanets with a 50-cm Diameter Stratospheric Balloon Telescope

Caractérisation de la caméra HNü 512 de Nüvü

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.

Characterization of a photon counting EMCCD for space-based high contrast imaging spectroscopy of extrasolar planets

Caractérisation des besoins du détecteur 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.

ATLAST detector needs for direct spectroscopic biosignature characterization in the visible and near-IR

SUIVI DES ASTÉROÏDES ET DES DÉBRIS SPATIAUX

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.

Petits objets et rayons cosmiques

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.

Sensibilité accrue et élimination des rayons cosmiques

Avec CCCP, une technologie brevetée qui réduit l’injection de charge, les caméras Nüvü™ sont conçus pour l’imagerie à faible flux de précision. 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.

Démonstration : Repérage des satellites d’entretien

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.

SPECTROSCOPIE UV

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.

Limitations des détecteurs UV actuels

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.

Des EMCCDs pour la détection du proche-UV

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 EMCCDs 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.

Démonstration : CCCP pour l’imagerie à ultra-faible flux

L’article ci-dessous confirme les performances du CCCP pour contrôler un EMCCD dans des conditions d’illumination ultra faible, telles que l’imagerie dans le proche-UV.

Characterization results of EMCCDs for extreme low light imaging

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.

Noise and dark performance for FIREBall-2 EMCCD delta-doped CCD detector

ASTÉROSISMOLOGIE

L’astérosismologie est une méthode prometteuse, en constante évolution, qui consiste à sonder la structure interne d’une étoile à l’aide de ses modes d’oscillation. Une telle technique fournit d’importantes informations à propos de la masse, du rayon, de la composition chimique ainsi que l’âge d’une étoile, informations autrement difficiles, voire impossibles, à récolter par l’entremise de l’astronomie traditionnelle.

Faible luminosité et observations rapides

Pour étudier les vibrations stellaires, on examine leurs effets sur la lumière émise par une étoile : les oscillations modulent une courbe de lumière ou une raie d’émission en quelques minutes. Cependant, la spectroscopie de haute résolution et la photométrie, en particulier pour les objets faibles, nécessitent de longues acquisitions ininterrompues, incompatibles avec l’analyse des variations de lumière rapides ou la collecte d’une quantité suffisante de photons, et ne peut être réalisée qu’avec de grands télescopes.

Réduction notable du bruit pour des étoiles de faibles magnitudes

Le faible bruit de lecture des EMCCDs équipées du contrôleur CCCP de Nüvü Camēras, technologie qui réduit l’injection de charges caractéristique de ces détecteurs, rend possible l’imagerie à plus grande fréquence et à faible flux en photométrie et en spectroscopie. Cette technologie permet une grande flexibilité pour l’étude astérosismologique sans faire appel à un grand télescope pour obtenir des données à haute résolution.

Démonstration : Acquistions rapides et réduction du bruit

Des chercheurs ont démontré que le contrôleur CCCP de Nüvü™ réduit significativement les sources de bruit d’un EMCCD tout en effectuant des acquisitions rapides dans l’article EMCCDs: 10 MHz and beyond.

EMCCDs: 10 MHz and beyond

SURVEILLANCE DES OCÉANS ET DES CÔTES

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.

Atténuation du signal et limitations associées à la portée spectrale

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.

Rencontre des exigences pour la surveillance côtière dans l’espace

De récentes études ont obtenu d’intéressants résultats en employant des détecteurs EMCCDs 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.

Démonstration : Augmentation de l’efficacité des télescopes

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.

The Darkest EMCCD Ever

COMPORTEMENTS CLIMATIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX

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.

Précision limitée dans la noirceur

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.

Le EMCCD le plus sombre jamais conçu

L’effet de l’injection de charge sur le bruit de lecture peut être atténué, voire éliminé, en modulant de façon appropriée de courant d’horloge 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.

Les progrès de la qualification spatiale du contrôleur CCCP.

Cet article présente les progrès dans la caractérisation du Contrôleur CCD pour le Comptage de Photons (CCCP) de Nüvü Camēras conçu pour l’imagerie à très faible flux lumineux dans un environnement spatial et utilisant le détecteur EMCCD 1024×1024 de Teledyne-e2v (CCD201-20). Le contrôleur EMCCD a été conçu en utilisant des composantes qualifiées pour l’espace avant d’être testé de manièere approfondie dans un vide thermique. Les résultats des tests de performances comprennent le bruit de lecture, les charges induites par les horloges (clock-induced charges), le courant d’obscurité (dark current), la plage dynamique et le gain EM.

L’article présente également l’intégration du CCCP dans le coronographe du projet High-Contrast Imaging Balloon System: la charge utile optique pour une future mission canadienne d’un ballon stratosphérique. Ce premier contrôleur EMCCD qualifié spatial, nommé CCCPs, améliorera la sensibilité des futurs instruments d’imagerie à faible flux lumineux pour des applications spatiales telles que la détection, la caractérisation et l’imagerie d’exoplanètes, la recherche et la surveillance d’astéroïdes et de débris spatiaux, l’imagerie UV et le suivi de satellites.

TRL-5 EMCCD Controller for Space Applications

Applications à faibles flux de photons

TRANSITS D’EXOPLANÈTES

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.

Information cruciale perdue lors de l’intégration

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.

Caméras à grandes vitesse et sensibilité

Le contrôleur CCCP de Nüvü Camēras permet l’acquisition d’images à grande vitesse tout en rendant possible une multiplication accrue du signal électronique des EMCCDs avec un rapport signal sur bruit supérieur. Le bruit de lecture intrinsèquement inférieur offre un décuplement de l’efficacité du système d’imagerie, menant à une amélioration considérable de la précision, de la richesse et de la fiabilité des courbes de lumière des transits.

Démonstration : Imagerie rapide à faible bruit

Des chercheurs ont montré que CCCP permet d’acquérir des images à grande vitesse en maintenant un plancher de bruit bas tout en préservant l’efficacité du transfert de charge.

EMCCDs: 10 MHz and beyond

LUCKY IMAGING

Soumise à des gradients de température et de vent, l’atmosphère terrestre est en mouvement constant. Ce phénomène de turbulence, dont le temps caractéristique est autour de 30 ms, dévie aléatoirement les rayons lumineux lorsqu’ils traversent l’atmosphère, limitant ainsi la précision d’un système optique. Dans le cas où une image est acquise en deçà du temps caractéristique des fluctuations, la turbulence apparaît statique, menant à une technique nommée lucky imaging. En combinant plusieurs clichés rapides, on recrée une image quasi parfaite, sans artéfacts.

RBS et champs de vision

L’assemblage de plusieurs expositions demande un grand rapport signal sur bruit (RBS) pour chaque image. Autrement, la qualité de l’image résultante sera compromise. De plus, afin de suivre les fluctuations atmosphériques, la méthode de lucky imaging emploie des étoiles de référence : elle exige une bonne couverture du ciel, donc un détecteur assez large capable de grandes vitesses d’exposition.

Acquisions rapides avec de larges détecteurs

La caméra HNü de Nüvü™ est la première intégrant un EMCCD de 1024 × 1024 pixels capable de vitesses allant jusqu’à 20 MHz tout en maintenant des RSB très satisfaisants. En combinaison avec les options de regroupement de pixels et de sélection des régions d’intérêt (ROI), disponibles avec le logiciel d’exploitation de Nüvü Camēras, le lucky imaging s’applique aisément avec un grand champ de vision.

Optique adaptative

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.

Suivre les fluctuations de l’atmosphère en temps réel

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.

Rencontrer tous les critères pour l’optique adaptative

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, 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.

Démonstration : Analyseur de front d’onde pyramidal

L’Institut national d’optique a développé un analyseur de front d’onde pyramidale intégrant une caméra HNü 512 de Nüvü™.

Pyramidal Wavefront Sensor Demonstrator at INO

Optique Adaptative pour le télescope WHT 4.2m

Daniel Hölck-Santibanez, de Durham University, a présenté le système d’optique adaptative utilisé sur le télescope WHT 4.2m.

CHOUGH: spatially filtered Shack-Hartmann wave-front sensor for HOAO

Performance de la nouvelle fonctionnalité mROI

François Rigaut, de l’Australian National University, a présenté la performance de la nouvelle fonctionnalité de régions d’intérêt multiple (mROI) de Nüvü Caméras.

NGS2: a focal plane array upgrade for the GeMS multiple tip-tilt wavefront sensor

SPECTROSCOPIE À HAUTE RÉSOLUTION

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.

Résolution contrainte par le bruit

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.

Diminution substantielle du bruit et post-traitement

Le contrôleur CCCP innovateur de Nüvü Camēras génère la plus petite injection de charge pour tout EMCCDs. 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.

Démonstration : Peu de bruit malgré une grande vitesse de lecture

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.

The Characterization results of EMCCDs for extreme low-light imaging

SPECTRO-IMAGERIE DE FABRY-PÉROT

Les spectromètres conventionnels perdent leur efficacité lorsqu’ils sont employés pour l’imagerie de larges portions du ciel telles que les nébuleuses. La résolution de ces systèmes optiques est alors limitée par la taille du cône de lumière qui parvient dans la fente du spectromètre. À l’opposé, un spectromètre muni d’un interféromètre de Fabry-Pérot emploie un détecteur à grand champ et accepte de larges cônes de lumière sans en affecter la résolution spectrale. Il suffit alors de collecter une série d’images aux longueurs d’onde choisies pour reconstituer l’objet observé.

Voir des objets de faible luminosité plusieurs fois

Les objets d’intérêt sont souvent larges et émettent une lumière diffuse et ténue. La spectro-imagerie de Fabry-Pérot requiert ainsi des temps d’intégration parfois très longs afin d’accumuler suffisamment de photons et assurer une image de qualité. Cette contrainte, qui se répète en modifiant la longueur d’onde de l’interféromètre pour reconstruire l’objet, rend la méthode inefficace.

Sensibilité incomparable et acquisitions rapides

La technologie EMCCD, alliée au contrôleur CCCP de Nüvü Camēras, offre une efficacité quantique exceptionnelle et une probabilité de détection de photons supérieure à 91 %, décelant ainsi plus de lumière en moins de temps. En effet, avec ses gains élevés et un bruit de lecture en deçà d’un électron par pixel, l’acquisition d’image s’effectue plus rapidement et peut être enregistrée pour un large spectre de longueurs d’ondes, rendant cette technique profitable.

Spectroscopie en champ intégral

L’étude des vitesses radiales des composantes d’amas de galaxies, ou encore des propriétés d’un nouveau système planétaire, requiert à la fois des informations sur le spectre lumineux selon le lieu d’émission, ce que la spectroscopie intégrale de champ (IFS) récolte. Contrairement à la spectro-imagerie du type Fabry-Pérot, le faisceau de lumière est scindé avant d’être dirigé dans le spectromètre. Le cube de données ainsi recueillies comprend une série de spectres qui, une fois combinés, recréent l’image de l’objet étudié sur une large gamme de longueurs d’onde.

Sensibilité et spectre étendu

En divisant le signal entrant en plusieurs spectres, ce qui en diminue l’intensité, l’IFS exige des capteurs sensibles possédant une bonne couverture des longueurs d’onde lumineuses. En outre, des rapports signal sur bruit des plus élevés sont nécessaires pour obtenir des données de qualité exceptionnelle. Un détecteur doit également permettre l’analyse minutieuse de nombreux spectres afin de reconstituer une image précise.

Spectres finement détaillés

La technologie EMCCD de Nüvü Camēras est la plus sensible à ce jour dans les spectres visible et proche infrarouge, proposant une excellente couverture de longueurs d’onde pour des données d’IFS. Ses caméras produisent des données à haut RSB et ce, même à faible flux lumineux, avec son contrôleur de CCD breveté et éprouvé pour le comptage des photons (CCCP). Celui-ci qui diminue les charges induites et bruit de lecture à leur minimum. Nüvü Camēras propose également des détecteurs dont le capteur, de 1024 × 1024 pixels, offrent une plus grande surface pour accommoder de nombreux spectres.

Démonstration : Conçu pour la spectroscopie en champ intégral

Les auteurs de l’article The Darkest EMCCD Ever conclut que « le EMCCD est parfaitement adapté aux applications à très faibles flux » comme la spectroscopie en champ intégral, notamment grâce à CCCP.

The Darkest EMCCD Ever

PHOTOMÉTRIE EN TEMPS RÉEL

L’étude des phénomènes célestes tels que les variables cataclysmiques requiert des techniques plus efficaces afin de collecter plus de données et mieux en comprendre le fonctionnement. Méthode efficace pour analyser ces phénomènes, la photométrie en temps réel acquiert des images d’étoiles à un taux de quelques Hz et étudie les changements de luminosité rapides d’une multitude d’objets célestes.

Sources de bruit contraignantes

La veille et le suivi d’évènements ayant lieu sur de courtes échelles de temps demande des temps de lecture rapide. Cependant, les contrôleurs des caméras CCD traditionnelles n’ont pas été développés dans cette optique. Un accroissement du taux de lecture des pixels signifie plutôt une hausse du niveau de bruit par injection de charge qui polluera ultimement le signal et contaminera les images. En fonction de ces exigences, le temps d’acquisition est écourté, diminuant le nombre total de photons collectés et nécessitant des niveaux de bruit plus faibles.

Une technologie conçue pour l’acquisition rapide

L’expertise développée par Nüvü Camēras réside dans l’électronique de son contrôleur réinventé pour l’imagerie à faible flux. Par une réduction significative des sources de bruit telle que l’induction de charge, les dispositifs de Nüvü Camēras réalisent des clichés plus rapidement tout en réduisant les temps d’exposition. Même pour les grands champs de vision (capteur de 1024 × 1024 pixels), ses détecteurs peuvent atteindre un taux de rafraîchissement de plus de 6 images par seconde avec un gain de 5000 et une qualité d’image remarquable.

Démonstration : Naine blanche pulsante

Dans l’article The Darkest EMCCD Ever, les auteurs démontrent le potentiel du EMCCD afin d’acquérir des données photométriques rapides. Les figures ci-dessous sont tirées du résumé qui suit.

Courbe de lumière de G226-29, une naine blanche pulsante du type ZZ Ceti, prise dans la bande de V sur le télescope de 1,6 m du Mont Mégantic lors d’une nuit de pleine lune. Les données ont été acquises à 30 images par seconde et affichées par intervalles de 5 secondes.

The Darkest EMCCD Ever

Tous les photons comptent

Vitesse radiale de NGC7331 obtenue par spectroscopie de champ intégral. Données obtenues avec le télescope de 1,6 m du Mont Mégantic à une résolution spectrale de 15 000.

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, à cause de la nature stochastique du gain 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/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 se faire, les observations doivent être effectuées à de très faibles flux de lumière ou à de hautes vitesses. Cependant, dans de telles conditions, l’induction de charge (CIC) devient la source de bruit dominante du EMCCD. Or, il est vain de recourir au mode comptage de photons avec une injection de charge élevée et un gain insuffisant.

Dès le départ, les caméras Nüvü™ ont été développés dans l’objectif de maîtriser efficacement la principale source de bruit en comptage de photons : l’induction de charge. Le CCCP (contrôleur CCD pour compter les photons) de Nüvü Camēras répond aux besoins des astronomes contemporains en produisant au minimum un gain 5 fois supérieur tout en générant 10 fois moins d’induction de charge que les autres technologies EMCCD. Les systèmes d’imagerie équipés de la technologie de Nüvü Camēras deviennent beaucoup plus rapides et efficaces dans les applications de comptage de photons. Il suffit d’intégrer le CCCP à votre système EMCCD actuel ou d’utiliser directement une de nos caméras EMCCD, toutes optimisées pour le comptage de photons pour bénéficier pleinement de l’avantage Nüvü Camēras.