Publications

Note : La documentation ci-dessous n’est disponible qu’en anglais.

The use of EMCCDs as silicon-based photo counting devices

Résumé: L’efficacité du comptage de photons (PC) a augmenté depuis les premiers dispositifs de comptage de photons. Les intensificateurs d’image de troisième génération avec des photocathodes à haut rendement quantique (QE) (de l’ordre de 30%) sont utilisés avec les capteurs CCD dans les systèmes à comptage de photons intensifiés. Mais l’efficacité de ce type de caméra est limitée par la capacité du tube à transformer un photon entrant en électron et à l’amplifier de sorte que le signal de sortie passe largement par-dessus le bruit de lecture du CCD (RON). Les améliorations de l’efficacité quantique du CCD, qui atteint maintenant 90% à certaines longueurs d’ondes, et un bruit de lecture aussi faible que 3e¯, n’ont aucun effet sur l’efficacité de comptage totale de ces caméras. Un bruit de lecture de 3e¯ est encore trop élevé pour une application telle que le comptage de photons pour des flux extrêmement faibles. Il est maintenant possible d’amplifier le signal de pixel dans le CCD avant qu’il n’atteigne l’amplificateur de sortie et avant qu’il ne soit affecté par son bruit. Ces CCD à multiplication d’électrons permettent d’obtenir un bruit de lecture efficace inférieur à un électron, assez bas pour le comptage de photons. Avec la capacité de comptage de photons, combinée à un courant d’obscurité très faible, une très bonne uniformité de réponse des pixels et un QE élevé, la technologie CCD est devenue le détecteur de choix pour les applications hautes performances telles que la spectroscopie à résolution temporelle et l’imagerie basse lumière.

Publié en juillet 2018.

TRL-5 EMCCD Controller for Space Applications

Résumé: Nous présentons 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. Nous présentons 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.

Publié en juin 2018.

Preliminary characterization results of a large format 4k x 4k EMCCD

Résumé: Les caméras scientifiques EMCCD ont démontré d’excellentes performances d’imagerie dans des conditions de faible luminosité. La capacité de compage des photons combinée à un très faible niveau de bruit noir offert par la technologie CCD ont fait du EMCCD le détecteur de choix pour les applications à hautes performances telles que la spectroscopie à résolution temporelle et l’imagerie à faible luminosité. Cependant, l’instrumentation astronomique future nécessite une haute résolution spatiale, alors que les dispositifs EMCCD disponibles sur le marché sont limités par un format de zone relativement modeste de 1k x 1k. Pour répondre à cette exigence, l’Université de Montréal et Teledyne-e2v ont développé conjointement un EMCCD 4k x 4k, le CCD282. Cet article présente les résultats de la caractérisation cryogénique du CCD282 opéré avec le contrôleur CCD pour le Comptage de Photons (CCCP) version 3. Les avantages d’un nouveau détecteur EMCCD grand format en comparaison à la technologie existante pour la spectroscopie à haute résolution sont discutés.

Publié en juin 2018.

Astronomical Imaging With EMCCDs Using Long Exposures

Résumé : L’imagerie astronomique est toujours limitée par le rapport signal sur bruit (RSB) du détecteur employé. Les caméras EMCCD offrent néanmoins de nombreux avantages afin d’améliorer le RSB lors d’observations à faible luminosité tels qu’un bruit de lecture inférieur à un électron par pixel ainsi qu’une diminution du courant d’obscurité avec le refroidissement approprié. Dans le but d’accroître le RSB, la rapidité d’acquisition de ces caméras est notamment exploitée en superposant de multiples expositions courtes, par opposition à une seule longue exposition. Les EMCCDs conviennent également aux applications nécessitant des expositions prolongées, même lorsque seuls quelques photons sont détectés à l’heure. Lors de l’acquisition d’expositions de longue durée à l’aide d’un CCD conventionnel, des taux de lecture lents sont généralement employés afin de réduire le bruit de lecture, la source dominante du bruit. Toutefois, pour des caméras du type EMCCD, cette approche ne peut aboutir au bruit total le plus faible puisque l’augmentation de la durée totale d’exposition ne génère pas un RSB plus élevé possible pour le même temps d’intégration. Dans cet article, nous présentons les résultats expérimentaux obtenus avec une caméra EMCCD optimisée pour les longues expositions (de quelques secondes à plusieurs heures) de cibles à faible luminosité. Ces résultats ont permis de déterminer les meilleurs paramètres de fonctionnement d’une caméra EMCCD pour l’imagerie astronomique à très faible flux.

Publié en juin 2014.

EMCCDs: 10 MHz and beyond

Résumé : Les EMCCDs sont capables de taux de lecture dans les MHz tout en maintenant un bruit de lecture en deçà d’un électron par pixel. L’acquisition de dizaines d’images par seconde est monnaie courante pour les capteurs EMCCD de grands et moyens formats (1k × 1k, 512 × 512), tandis que les petits formats peuvent atteindre des centaines et même des milliers d’images par seconde. Pour les applications où la vitesse est un facteur clé, des EMCCDs sont même employés à des taux de lecture plus élevés que les recommandations du fabricant. Très peu de données ont été publiées sur les effets de la synchronisation à haute vitesse des EMCCDs, que ce soit sur les registres verticaux ou horizontaux. Cet article présente les résultats de la caractérisation de EMCCDs cadencés à grande vitesse.

Publié en juin 2014.

Characterization Results of EMCCDs for Extreme Low Light Imaging

Résumé : Les EMCCD sont adaptés à l’imagerie à très faible flux grâce à leur bruit de lecture sub-électronique, ce qui leur permet de compter des photons individuels. Les puces CCD60 (128 x 128), CCD97 (512 x 512) et CCD201-20 (1024 x 1024) sont caractérisées avec un contrôleur optimisé pour la gestion des EMCCD à haute (≥ 10 MHz) vitesse de lecture avec < 0.002 ē de signal de fond total. Les niveaux de bruits d’injection de charge (CIC) vertical et horizontal, le courant d’obscurité ainsi que la stabilité du gain EM sont caractérisés avec le Contrôleur CCD pour Comptage de Photons (CCCP).

Publié en juillet 2012.

The Darkest EMCCD Ever

Résumé : Les EMCCD peuvent maintenir un bruit de lecture sub-électronique à haute vitesse de lecture en conjonction avec une efficacité quantique élevée. Toutefois, ils sont affectés par un facteur de bruit (ENF) ayant le même effet sur les mesures photométriques que de diminuer l’efficacité quantique du système de moitié. Afin d’éliminer l’ENF, l’opération en comptage de photons est obligatoire, mais elle présente toutefois le désavantage de ne pouvoir compter qu’un seul photon par pixel par image. Les grandes vitesses d’acquisition possibles avec les EMCCD servent de remède, au coût d’une augmentation du bruit d’injection de charge (CIC) qui domine le signal de fond de l’EMCCD. Le CIC peut être fortement atténué avec une précision appropriée des signaux d’horloge, ce qui augmente énormément l’efficacité du comptage de photons pour des applications telles la photométrie ou la spectroscopie à faible flux. La production de tels signaux électriques précis est possible avec un nouveau contrôleur d’EMCCD: le CCCP, Contrôleur CCD pour Comptage de Photons. Ce nouveau contrôleur présentement commercialisé par Nüvü Camēras inc. fut intégré dans une caméra EMCCD et testé à l’Observatoire du Mont Mégantic. Les résultats sont présentés dans cet article.

Publié en juin 2010.

Extreme Faint Flux Imaging with an EMCCD

Résumé : Une caméra EMCCD conçue à partir de zéro pour l’imagerie à extrême faible flux est présentée. Le CCCP, Contrôleur CCD pour Comptage de Photons, a été intégré dans une caméra scientifique avec une puce EMCCD, la CCD97 de e2v Technologies, au Laboratoire d’Astrophysique Expérimentale (LAE) à l’Université de Montréal. Cette nouvelle caméra atteint un bruit de lecture subélectronique et de très faibles niveaux de bruit d’injection de charge (CIC), des critères essentiels à l’imagerie à très faible flux. Elle a été caractérisé en laboratoire et employée sur le télescope 1.6 m de l’Observatoire du Mont Mégantic. Une discussion centrée sur la performance de la caméra ainsi que des données expérimentales avec les premières données scientifiques sont présentées.

Publié en août 2009.

CCCP: A CCD Controller for Counting Photons

Résumé: Le CCCP, Contrôleur CCD pour Comptage de Photons, est présenté. Ce nouveau contrôleur utilise une architecture d’horloge innovatrice et permet de gérer le CCD d’une nouvelle manière. Sa conception est optimisée pour la gestion des EMCCD à des vitesses de lecture s’élevant jusqu’à 20 MHz avec un transfert vertical rapide. En employant ce contrôleur, la source dominante de bruit des EMCCD à faible flux et haute vitesse, le bruit d’injection de charge (CIC), a été réduite à 0.001 – 0.0018 électron/pixel/image (en fonction du gain EM), ce qui rend possible un comptage de photons efficace. Le CCCP sera déployé en 2009 sur l’ESO NTT via la projet 3D-NTT ainsi que sur le SOAR avec le projet BTFI.

Publié en juin 2008.

Faint Flux Performance of an EMCCD

Résumé : De rigoureuses simulations numériques ont été effectuées afin d’évaluer la performance de trois méthodes de traitement de données provenant d’un EMCCD opéré à gain élevé sous de réelles conditions d’utilisation. L’effet des bruits de lecture et d’injection de charge est évalué sous plusieurs conditions de faible flux (0.001 événement/pixel/image < ƒ < 20 événements/pixel/image). De plus, une méthode pour trouver la valeur du gain appliqué par le registre d’amplification de l’EMCCD est aussi développée. Elle permet de déterminer la valeur du gain avec une précision d’une fraction de pourcentage à partir de simples images acquises avec obturateur fermé.

Publié en mai 2006.