Capteurs CCD
LES CAPTEURS CCD.doc 1 D.BERQUET lycée PE MARTIN BOURGES Créé le
LES CAPTEURS C.C.D.
( CHARGES COUPLED DEVICES : DISPOSITIFS A COUPLAGE DE CHARGES)
1. GENERALITES_PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT... 2
1.1. Constitution ... 2
1.2. Conversion lumièreÆ charges électriques... 3
1.3. Mouvement des charges ... 4
1.4. Types de CCD... 5
1.5. Lecture du signal : Structure de sortie... 7
1.6. Cumul des charges ou « binning » ... 7
1.1.1. Le « binning » de ligne. ... 8
1.1.2. Le « binning de pixels... 8
1.7. Signal de sortie; Exploitation... 9
1.8. Capteurs CCD et CMOS (ou NMOS). ... 11
1.9. Dispositifs spéciaux... 12
2. CARACTERISTIQUES DES CAPTEURS D’IMAGE CCD... 16
2.1. Caractéristiques principales... 16
2.2. Facteur de conversion de l’amplificateur de sortie... 16
2.3. Sensibilité spectrale... 16
2.4. Non Uniformité de la réponse photonique des pixels (NPRU). ... 17
2.5. Niveau de saturation des pixels... 17
2.6. Linéarité... 17
2.7. Coefficient d’efficacité du transfert des charges (CTE )... 17
2.8. Courant d’obscurité (Dark Current)... 17
2.9. Bruits. (Noises)... 18
2.10. Dynamique... 20
2.11. Résolution (spatiale)... 20
2.12. Charges parasites... 21
2.13. Imperfections (Cosmetics)... 21
2.14. Précautions de manipulation et d’emploi... 21
3. Le KAF -0401E... 22
4. DOCUMENTATION TECHNIQUE DU KAF401E ... 28
5. APPLICATION :camera AUDINE... 28
6. PRINCIPAUX CONSTRUCTEURS... 4
7. BIBLIOGRAPHIE. ... 4
LES CAPTEURS C.C.D.
( CHARGES COUPLED DEVICES : DISPOSITIFS A COUPLAGE DE CHARGES)
1. GENERALITES_PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
e grand public connaît les capteurs d’images ou rétines électroniques par le biais de produits multimédias, dans lesquels ils ont rapidement remplacé les tubes de prise de vue vidicon, plumbicon et autres (caméscopes, caméras vidéo légères), ou dont ils ont permis l’émergence (photo numérique, webcams…). Hormis ces applications où la prouesse se situe surtout au niveau du faible coût, on rencontre les capteurs d’images dans une multitude de domaines industriels, scientifiques et professionnels où la performance est une nécessité absolue qui donne toujours du fil à retordre aux concepteurs: astronomie, microscopie, biologie (analyses par fluorescence), radiographie, spectrométrie, physique
nucléaire, reconnaissance de formes, contrôle dimensionnel, photographie professionnelle, télévision à haute définition, télécinéma, etc.
Les capteurs d’image CCD ou rétine CCD furent inventés par Boyle et Smith dans les laboratoires AT&T en 1970.
Le terme CCD (Charge-Coupled-Device) vient de la façon dont les charges accumulées dans une zone de semi- conducteur sont transférées (couplées) à une zone adjacente. Ces zones d’accumulation des charges électriques sont appelées puits de potentiel, et sont créées lorsqu’on applique un champ électrique dans le semi-conducteur.
1.1. Constitution
La structure de base d’un capteur ou rétine CCD(analogie avec l’œil) est un condensateur MOS (Metal Oxide Semiconductor). Voir fig. 1.
Les électrodes (Grille ou Gate), de quelques microns d’épaisseur, sont réalisées en matériau fortement conducteur, en métal (aluminium) ou en silicium1 poly cristallin. La couche isolante, de quelques microns d’épaisseur, est réalisée en dioxyde2 de silicium (SIO2) et le substrat (support) dans lequel se formera un canal où se déplaceront les charges électriques est en semi conducteur dopé P (P-Silicium par exemple).
L’ensemble (sous une grille) se comporte comme un condensateur. La majorité des capteurs CCD possède une couche enterrée de semi- conducteur3 N dans le silicium, sous la couche d’oxyde.
1 Silicium poly cristallin ou poly-Si est obtenu par croissance de silicium à basses température ( pyrolyse de silane sous basse pression LPCVD à une température de 620 °C). Les cristaux de silicium poly cristallin ont un diamètre de 0.03 à 0.3 µm et une hauteur de la taille de la couche déposée et possède une forte conduction électrique.
2 Dioxyde de silicium : Oxyde de silicium facile à obtenir ayant une propriété d’isolation électrique excellente.
3 Semi-conducteur N : Semi-conducteur dopé N.
L
OXYDE METAL
SEMICONDUCTEUR
Potentiel
Charge
Direction du transfert
Figure 1: Structure de base d'un CCD et son équivalent
Capteurs CCD
1.2. Conversion lumièreÆ charges électriques
La première opération réalisée dans le capteur est la conversion de l’énergie lumineuse (photons4 d’énergie hυ) en énergie électrique (électrons).
Lorsqu’une lumière incidente atteint la surface active, elle traverse les couches métalliques et d’oxyde pour se dissiper dans le semi-conducteur SI-P. Si l’énergie E=hυd’un photon est suffisante, elle va être transmise à un électron d’un atome de silicium qui va devenir un électron (e-) libre, laissant à sa place une charge (e+) ou trou lié à l’atome dans lequel il a été créé.(voir fig.2)
On dit qu’un photon est capable de produire une paire électron/trou. Les photons de faible énergie (grande longueur d’onde i.e.
infrarouges) sont moins facilement détectés et tendent à traverser l’intégralité du cristal de silicium sans générer de paire électron/trou.
A l’inverse les photons de forte énergie (courte longueur d’onde i.e ultraviolets) sont absorbés très près de la surface et n’atteignent donc pas la zone active ne produisant pas de paire électron/trou.
Un capteur CCD possède donc une bande passante à l’intérieur de laquelle celui-ci transforme les rayonnements lumineux en charges électriques. La nature et l’épaisseur des matériaux des grilles et de l’isolant déterminent les fréquences haute et basse (ou les longueurs d’onde basse et haute) de la
sensibilité spectrale (de 0.4µm à 1µm , en général centrée sur le spectre visible).
Le nombre d’électrons générés par photon est appelé « efficacité quantique »(QE : Quantum efficiency de 40% à 60% couramment, jusqu’à 90% pour les CCD spéciaux).
Les électrons peuvent être séparés des trous du réseau (fixes) en appliquant une tension positive à une grille (H1=+V)par rapport au substrat alors que les autres grilles sont à 0 (H2=0V). Ceci crée un puits de potentiel dans lequel vont être attirés et confinés les électrons produits (phase de collecte ou d’intégration). Ces électrons, attirés par le potentiel positif, vont venir se regrouper sous l’électrode active à proximité de l’interface Si-P et SiO2, sans toutefois pouvoir traverser cette dernière ( c’est un isolant électrique quasi parfait).
Figure 3: CCD réel
4 Photon : particule quantique élémentaire de lumière ou grain de lumière ;il possède une énergie E =hυ(prononcer « ache nu » avec h constante de Planck=6.62 10-34 Js-1 et υla fréquence de l’onde en Hertz.
Figure 2: Structure physique interne d'un pixel (horloge 2 phases)
1 pixel Pixel suivant
Silicium faiblement dopé P Pixel préc.
Lumière incidente
SiO2 isolant
SI SI
SI SI
SI
SI
SI
SI
SI SI
SI SI
SI SI SI
SI SI
SI SI SI
SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI
SI SI SI
SI SI
SI SI
+ +
+
+ + +
+ +
+
+ + + ++
+
+
+++ + +
Nuage d’électrons piégés
H1 H1Zone de déplétionCanal
H2Grilles (GATES)
H2
1.3. Mouvement des charges
En associant plusieurs pixels les uns à la suite des autres, on constitue une ligne CCD ; plusieurs lignes verticales vont pouvoir réaliser une matrice CCD capable de capter une image.(voir fig. 4).
La succession des phases des tensions appliquées aux grilles va déplacer les puits de potentiel et faire se déverser de proche en proche, les charges de chaque pixel, tels des coupelles remplies d’eau qui se déverseraient les unes dans les autres. (voir fig.5).
Figure 5: analogie hydraulique
Il existe des CCD à 4, 3, et 2phases .
Fonctionnement d’un CCD à 2 phases (voir fig.6) :
Les CCD à 2 phases nécessitent 4 portes par pixels, ; ces 4 portes sont associées par paires ; dans chaque paire, une grille est réalisée en plaçant sous l’oxyde une couche enterrée de semi-conducteur N+ (semiconducteur sur dopé). Quand une paire est polarisée, le potentiel sous la porte avec la couche N+ est moins grand . Ceci localise la zone de stockage des charges localement moins profondément, produisant une marche haute dans le profil de potentiel alors que dans la couche N le potentiel plus fort creuse le puit de potentiel plus profondément (voir fig.6), localisant les charges au fond de celui-ci . En alternant les phases des lignes d’horloge aux niveaux « U1 » et « U2 » ( H1 reste le complément logique de H2), on peut obtenir un déplacement des paquets de charges le long du CCD imposé par la position relative des couches N et N+ enterrées.
Figure 4: Ligne et matrice CCD
Capteurs CCD
H1 U1
U1 U2
U2 H2
t
t
t0 t1 t2
Situation initiale des paquets d’électrons à la date t0
Potentiels(V) date t0 H1=+V
Potentiels(V) date t1 H1 H2
Potentiels(V) date t2 H2=+V
X(µm)
X(µm)
X(µm) X(µm)
+ +
H1 H2 H1
Figure 6: CCD à 2 phases
L’avantage significatif de cette méthode est de rendre moins sensibles les charges transportées vis-à-vis du bruit des horloges ( ce qui n’est pas le cas des types à 4 et 3 phases) ; l’inconvénient majeur vient de la nécessité d’avoir 2 niveaux d’horloge U1 et U2 différents (mais stables ; par exemple +6V et -4V) NB : Pour le décalage dans le registre vertical il faut disposer de deux autres horloges V1 et V2 possédant aussi leurs propres niveaux (+0.5V et -10V par exemple).
1.4. Types de CCD
Il existe 3 grands types de rétine CCD :
Rétines CCD à transfert intégral de trame « FULL FRAME » (FFT CCD).
Rétines CCD à transfert de trame (FT CCD)
Rétines CCD « interligne ».
CAPTEUR « FULL FRAME TRANSFERT : En technologie « plein cadre » (full-frame-transfert CCD, voir fig.7), la construction est assez simple puisque les lignes CCD « verticales » jouent à la fois le rôle de capteurs de lumière et de moyen de transmission des charges. Les condensateurs des cellules CCD sont photosensibles mais ont une efficacité moindre aux faibles longueurs d'onde du fait des électrodes en silicium poly cristallin, qui ne sont que semi transparentes. L'avantage est un rendement global intéressant, puisque presque toute la surface est sensible : le « fill factor » ou facteur de remplissage, rapport de la surface sensible à la surface totale du circuit intégré, est proche de 100 %. Mais il est nécessaire d'avoir un obturateur optique externe pour fixer précisément le temps d'intégration et éliminer toute lumière incidente pendant le transfert des charges. Dans ce type de capteur, les lignes CCD verticales sont photosensibles et assurent un « fill-factor » voisin de 100% (doc. Kodak).
Lignes CCD verticales
Pixels (photosites)
Ligne collectrice horizontale
Portes de transfert
Amplificateur de sortie
Figure 7 : Capteur CCD FFT ( Full Frame Transfert)
CAPTEUR « FRAME TRANSFERT » :
La rétine CCD à transfert de trames (full-frame transfer CCD, voir fig. 8) est similaire, mais elle utilise en plus un second jeu de lignes CCD « verticales » ,masquées par une couche métallique opaque. A la fin du temps de pose, on transfère très rapidement l'image électronique acquise dans la matrice photosensible vers la matrice aveugle.
Cela permet ensuite de recommencer une acquisition, pendant que la matrice aveugle transmet l'image vers la sortie au rythme « normal » .
Le facteur de remplissage est également voisin de 100%, mais dans la zone sensible uniquement (ce qui divise au moins par 2 la taille de la matrice réellement active !) (doc. Kodak).
Lignes CCD verticales
Ecran optique métallique opaque Matrice active, exposée
Matrice de recopie, ocultée
Pixels (photosites)
Ligne collectrice horizontale
Portes de transfert
Amplificateur de sortie
Région A
Région B
Figure 8 : Capteur CCD " Frame Transfert" ( FT CCD)
CAPTEUR « INTERLIGNED » : Dans le capteur interligne ( voir fig. 9), les CCD verticaux « aveugles » ne sont pas disposés sous la forme d'une matrice compacte comme dans la technique précédente, mais sont intercalés entre les sites photosensibles disposés en rangées verticales. L'efficacité diminue puisque le facteur de remplissage baisse sensiblement dans cet arrangement. On remarquera toutefois que le capteur CCD plein cadre ne permet pas le balayage entrelacé cher à la télévision standard (ITU-R 601). Des variantes similaires s'appliquent aux capteurs linéaires.
La fonction de transfert est assurée par les lignes CCD verticales disposées entre les rangées d'éléments photosensibles. Le facteur de remplissage est considérablement dégradé, mais on gagne beaucoup en souplesse d'utilisation avec plusieurs résolutions d'images possibles. L’usage de microlentilles, placées devant les cellules, peut améliorer cet aspect (doc. Kodak).
Lignes CCD verticales
Photodiodes
Ligne collectrice horizontale
Portes de transfert Portes de
transfert verticales
Amplificateur de sortie
Figure 9 : Capteur CCD "interligne"
Capteurs CCD
1.5. Lecture du signal : Structure de sortie
Les charges Qi de chaque pixel transférées dans le registre sont finalement converties en tension par un condensateur suivant l’équation : Qi
Vi= C .
La capacité C est celle de la structure de collecte des charges « FD » (voir fig.10) . Le signal Vos est obtenu en sortie aux bornes de la résistance de source de MOS2 : Le montage s’appelle « source suiveuse », en effet le courant de sortie Id qui circule dans Rs vaut :
. (gm cte) , , et .
Id =gmVgs ≈ vin=Vgs Vos+ Vos=Rs Id et il vient : . .
1
Vin gm Rs Vos= gmRs
+ si gm Rs. 1 alors, Vos=Vin ; la sortie suit l’entrée.
La dernière double porte « SG5» d’un registre horizontal a la particularité d’être beaucoup plus large pour pouvoir accumuler les charges de plusieurs pixels (voir paragraphe sur le « binning ». La porte « OG » qui reçoit un potentiel différent, mais reste en synchronisation avec le séquencement de H1 et H2, transfère les charges dans la zone de lecture. La porte «FD6» qui se comporte comme un condensateur Cfd7 convertit les charges en tension. Cette tension Vin est appliquée à la porte de MOS2. Cette « lecture » est non destructive car l’impédance de la porte de MOS2 est très grande (Zg qqs GΩ). Cette zone de lecture doit bien sûr être déchargée avant le transfert de la prochaine charge ; ceci est réalisé par MOS1 qui évacue les charges de FD vers la masse (potentiel RD) (voir fig 10).
1.6. Cumul des charges ou « binning »
Le « binning » est une opération spécifique aux capteurs CCD qui se décompose en 2 possibilités :
le « binning » de ligne (verticale).
Le « binning de pixel (horizontal).
5 SG : Summing gate ou porte de sommation c’est sous cette porte que peuvent s’accumuler les charges de plusieurs pixels (voir paragraphe sur le
« binning »).
6 FD ( Floating Diffusion) : zone flottante diffusée dans le semi-conducteur N ; associée à l’amplificateur MOS2 elle donne son nom à cette structure sous l’appellation FDA (Floating Diffusion Amplifier).
7 On peut calculer l’ordre de grandeur de Cfdpour le capteur KODAK KAF401 le niveau de saturation d’un pixel (registre vertical) est de 100000 e-, celui d’un pixel (registre horizontal) environ 200000 e-, et de la porte de sortie SG le double soit 220000 e-. La charge maximum qu’il est possible d’accumuler vaut doncQsg=220000*1.6 *10−19=352pC avec une tension Vinmax=1V on obtient
max
Qsg 350
C pF
=Vin ∼ .
RD VCC
H1 SG OG
Charge N
Direction du transfert FD
RS
Résistance externe
OS MOS2 RESET MOS1
Figure 10: Structure de sortie.
Lors du fonctionnement d’un capteur CCD, pendant le temps d’intégration8, les charges électriques s’accumulent dans le puits de potentiel de chaque pixel. Lorsque les quantités de lumière sont extrêmement faibles (astronomie, spectroscopie etc..)la charge contenue dans chaque pixel n’est pas suffisante pour être exploitée facilement. Le
« binning » consiste à accumuler les charges de plusieurs pixels adjacents afin d’obtenir plus de signal utile. Par exemple, un « binning » de 2x2 groupe les charges de 4 pixels. Cela s’accompagne bien sûr d’une réduction de la résolution spatiale de l’image finale qui possède alors une surface 4 fois moins grande.
Remarque : Comme tous les autres traitements, le binning de l’image peut aussi s’opérer de façon logicielle,mais conduit en général à une augmentation globale du bruit du signal ; le « binning » interne est toujours préférable.
1.1.1. Le « binning » de ligne.
En appliquant un nombre donné d’impulsions d’horloge verticale (V1,V2), alors que l’horloge horizontale est stoppée, la charge contenue dans chaque pixel vertical est séquentiellement transférée et ajoutée dans chacun des pixels du registre horizontal.
Dès la fin du cumul du nième élément, les horloges horizontales sont redémarrées et le signal est dirigé vers la sortie.(voir fig. 11).
Cette méthode qui permet d’accumuler les charges de n pixels verticaux trouve son application dans les spectromètres où toute une rangée verticale reçoit le même rayonnement. Le fait d’accumuler n pixels, multiplie par n la sensibilité de l’appareil.
1.1.2. Le « binning de pixels.
Cette méthode consiste à regrouper (à accumuler) dans la cellule « SG »(Summing gate), les charges contenues dans un carré de nxn pixels.
Par exemple dans le cas du « binning 2x2 », 2 pixels de tous registres verticaux sont sommés dans tous les pixels du registre horizontal. Pour ce faire, pendant l’arrêt des horloges H les horloges verticales délivrent 2 impulsions. Dès la remise en marche de l’horloge horizontale l’horloge verticale est stoppée, tous les pixels horizontaux se déplacent, deux pixels horizontaux vont se déverser dans le registre
« SG » qui ne sortira son contenu vers l’amplificateur de sortie que tous les 2 coups d’horloge horizontale (voir fig. 12), lors de l’impulsion appliquée à la porte de transfert
« OG »(Output Gate).
8 Temps d’intégration : Durée pendant laquelle le CCD reste exposé à la lumière ; c’est le temps d’exposition des photographes.
V1 V2 H1
V1, V2
H1,H2
Figure 11: "Binning" de ligne
Figure 12: "Binning "de 2x2 pixels.
V1, V2
H1,H2 OG
V1 V2 H1 H2 OG
Variante (Kodak) SG
Capteurs CCD
1.7. Signal de sortie; Exploitation.
Pour chaque pixel, la tension obtenue en sortie du CCD doit être convertie à l’aide d’un convertisseur AÆN afin de reconstruire l’image (ou la ligne) correspondante à partir d’un fichier d’ordinateur (voir fig.13).
Image Lentille
Optique
Capteur CCD
Traitement analogique
Numérisation
Archivage affichage
A CAN
Figure 13: Chaîne de traitement de l'information
La quantité de charges de chaque pixel est représentative de l’intensité lumineuse de chaque point de l’image captée (en général la linéarité est meilleure que 1%), avec 2 limites :
La limite haute (niveau du blanc) due à la saturation des cellules qui ne peuvent accueillir qu’un nombre limité d’électrons (voir note de bas de page n°7 page 7, et la caractéristique de dynamique paragraphe 2.10).
La limite basse ( niveau du noir, ou plutôt du
« gris très très sombre » !) imposée par le bruit thermique (voir caractéristique de bruit (paragraphe 2.9). Le bruit thermique correspond à la production de paire électrons/trous par l’agitation thermique du cristal. Ces électrons, séparés des trous, s’ajoutent aux électrons photoniques et viennent perturber le signal utile.
Un certains nombre de pixels horizontaux et verticaux sont occultés ( ne reçoivent aucune lumière) et servent à mesurer
(référencer) le niveau du noir du capteur. Pendant les phases actives de H1, H2, SG et OG, le signal vidéo fourni par un pixel a l’allure suivante (voir fig.14). Il est composé de 3 parties :
une impulsion de reset( niveau infra noir).
Un palier de référence (niveau noir).
Un palier vidéo (du noir au blanc).
Remarques : le signal vidéo est inversé ; le blanc correspond à la tension la plus petite , l’infra noir à la tension la plus élevée. La tension de saturation Vsat est l’amplitude la plus grande du signal utile ; Vdark est l’amplitude la plus petite du signal utile. Le signal vidéo peut atteindre de quelques centaines de mV à quelques V.
Avant de numériser le signal vidéo, il est nécessaire de le filtrer (filtre passe-haut anti-repliement) et de l’amplifier ; c’est l’objet du bloc « traitement analogique » de la figure 13.
H1 R
Vsat Palier de
reset
Palier de référence
Palier vidéo
1 pixel
Vdark Vodc 0
Vpix
H2
Vout
Figure 14: Allure du signal vidéo
A1
Uvid1 Uvid2 Uvid3
C
R1 R2
CCD
Figure 15 : Perte de la référence du noir par liaison capacitive
On observe sur la figure 14 une caractéristique fondamentale : La valeur moyenne d’un signal « vidéo » n’est pas nulle, ni constante. Elle dépend du contenu de l’image,
contrairement à un signal « audio » qui possède toujours une valeur moyenne nulle.
Il est toujours possible de réaliser un amplificateur à liaison continue , mais ces amplificateurs sont toujours plus complexes, plus onéreux et plus sensibles aux variations des caractéristiques des composants. On leur préfère toujours des amplificateurs en cascade couplés par des condensateurs de liaisons inter étages qui vont transmettre les composantes variables et coupent les composantes continues de chaque étage, rendant les polarisations de ceux-ci indépendantes. Les condensateurs de liaison tel C
(figure 15 et 16) qui vont transmettre le signal vidéo Uvid1aux différents étages de filtrage et d’amplificateur vont également aligner le signal sur sa valeur moyenne, perdant ainsi le niveau de référence (noir) Uvid2.(voir figure 17).
Le « Clamping » ou réalignement du niveau du noir.
Le signal inversé (Uvid3), puis amplifié (Uvid4), il est nécessaire de ré aligner le niveau du noir sur une référence stable (en général 0V, c’est plus simple !).
Cette opération appelée « alignement du niveau du noir » ou « clamping » se réalise simplement en préchargeant le dernier condensateur de liaison, pendant la durée du niveau de référence à la nouvelle tension de référence (0V dans l’exemple).
Lorsque K est fermé (durée Tref) l’armature du condensateur est relié à la masse ; le niveau du noir à l’entrée de A3 s’est alignée sur 0 ; Pendant l’ouverture de K, le signal vidéo du pixel suivant n’a pas le temps de recharger suffisamment rapidement C (grande constante de temps (C* Ze3) car l’opération de réalignement se fait pour chaque pixel. (figure 17).
Les amplificateurs A1, A2 et A3 apportent une amplification A=A1* 2 * 3A A pour amener l’amplitude du signal à un niveau convenable pour sa conversion.
A2Zs2
Uvid4
Nouveau niveau de référence Uvid5
Ze3
C
K Tref
A3 CAN
Figure 16: Alignement du niveau du noir sur la référence.
Figure 17: Chronogrammes
Uvid1
Niveau du palier de référence.
Les paliers de référence ne sont plus tous au même niveau.
Inversion du signal
Amplification du signal
“Clamping”, réalignement des paliers de référence
Les paliers sont désalignés
Les paliers sont toujours désaligné
Le noir de l’image est à nouveau aligné sur 0V Le signal s’est aligné sur sa valeur moyenne.
Uvid2
Uvid3
Uvid4
Uvid5 J
Capteurs CCD
1.8. Capteurs CCD et CMOS (ou NMOS).
Les capteurs CCD nécessitent la mise en oeuvre d'un processus de fabrication particulier et imposent un adressage séquentiel de l'ensemble des points de l'image. La conversion charge Æ tension et l'amplification du photo signal se fait juste avant la sortie.
Au contraire, les capteurs Cmos utilisent une méthode de traitement décentralisé au niveau de chaque photo site, mettent en oeuvre un processus standard de fabrication semblable à celui des mémoires et autorisent l'accès aléatoire à chaque point de l'image, ainsi que l'intégration de fonctions de haut niveau.
Le concept de base est celui de « pixel actif » (ou APS pour active-pixel sensor), qui associe au sein de chaque photo site au minimum un capteur de lumière (photodiode ou condensateur Mos photosensible) et un amplificateur. Une matrice de commutation répartie sur l'ensemble de la puce permet d'accéder à chaque point. Un registre à décalage logique peut assurer l’adressage séquentiel des pixels (voir fig.18) en pilotant la conduction d’un transistor MOS de pixel parmi n. Des fonctions plus avancées peuvent aussi être intégrées soit localement (obturateur électronique constitué par un échantillonneur bloqueur au niveau de chaque site), soit ailleurs sur la puce (convertisseur A/N, générateur de synchronisation vidéo, DSP9...).
Registre à décalage
Photosite CMOS MCLK
START EOS
Signal
Amplificateur externe ...
Figure 18: Capteur CMOS
Les rétines Cmos ont des avantages déterminants : outre l'intégration possible de l'ensemble des fonctions d'une caméra dans un seul boîtier, ils ont un coût très favorable et des résolutions potentiellement très élevées. Des capteurs CMOS « intelligents » , irréalisables avec la technologie CCD, rendent des services considérables en vision artificielle. Néanmoins, leur gros inconvénient est d'avoir un facteur de remplissage d'emblée inférieur à celui des CCD. Les capteurs CCD ont un niveau de bruit de lecture d’environ 10 électrons (e- RMS), alors que le niveau de bruit des capteurs CMOS est supérieur à 1000 électrons. Par contre les capteurs CMOS peuvent manipuler des signaux 100 fois plus grands que les imageurs CCD qui saturent aux alentours de quelques centaines de milliers d’électrons. Malgré une dynamique intéressante, avec un rapport S/N plus faible, il résulte que les capteurs CMOS sont moins adaptés pour les applications scientifiques et industrielles délicates en faible lumière. On doit cependant s'attendre à un développement massif de ce type de rétine pour tous les appareils nomades appelés à capter des images et les envoyer par courrier électronique : téléphones portables, assistants personnels...
9 DSP Digital Signal Processing : Unité de traitement numérique du signal
1.9. Dispositifs spéciaux.
1.9.1. Entrée d’injection de charges (CCD de type ligne).
Certains capteurs CCD/CMOS possèdent une entrée série. En injectant dans cette entrée, grâce à une source de courant, une certaine quantité de charges (négatives), celles-ci vont se trouver piégées dans le premier puits de potentiel qu’elles vont rencontrer. Le processus normal de décalage va faire migrer ces charges de cellules en cellules.
Applications :
- Retard à registre à décalage analogique : En choisissant le nombre de cellules et en faisant varier la fréquence des horloges de décalage, le signal injecté ressort avec un retard proportionnel à la fréquence.
U/I U (t)bf
U (t- )bf τ
Fe H1,H2
I/U Sortie
Ligne à retard analogique CCD ou CMOS
Figure 19: Ligne à retard analogique
- Enregistreur analogique(répondeur, enregistreur portable, PDA10) : En échantillonnant un signal sonore , suivi d’une conversion UÆI appliqué à l’entrée d’un CCD ligne (qui n’est plus un capteur optique) et en décalant les échantillons au même rythme que la fréquence d’échantillonnage on peut enregistrer un ou plusieurs messages à la suite, jusqu’à saturation du registre (toutes les cellules contiennent quelque chose). La reprise du décalage permettra une lecture des messages. Avec certains circuits spécialisés (tels ceux du constructeur ISD11), il est même possible de se passer d’échantillonneur bloqueur et de convertisseur U/I (voir fig. 20), pour réaliser des mémoires de répondeurs téléphoniques de plusieurs dizaines de minutes.
Umic(t)
K*Umic(t- )τ
H1,H2
Sortie
Son
Microphone
Ligne à retard analogique CCD ou CMOS
AMPLI BF
Figure 20: Enregistreur vocal
1.9.2. CCD à exposition arrière.
Certains imageurs CCD ou CMOS ne sont pas illuminés par l’avant, mais par l’arrière. En effet, l’illumination par l’avant oblige les photons à traverser deux couches, le métal ou le SI N+ des deux portes de commandes et l’isolant SIO2, avant d’atteindre la zone active de formation des paires électrons/trous. Ces zones sont amincies dans la mesure du possible,mais constituent néanmoins un filtre qui influence l’efficacité quantique (QE=50% en moyenne dans le visible) et la sensibilité spectrale. Les rayonnements ultraviolets et X mous sont quasiment tous absorbés par ces couches d’arrêt et ne produisent aucune paire électrons/trous.
10 PDA (Portable Document Assistant) : pense-bête électronique portable ,assistant personnel.
11 ISD : International Storage Devices
Capteurs CCD
Front side
Puit de potentiel Back
side
hν
Figure 21: CCD à exposition arrière
Les CCD à exposition arrière ont un substrat aminci à 20µm (la partie avant restant inchangée) et possède un profil de dopage favorisant l’apparition des puits de potentiel sous les grilles (voir fig.21 et la caractéristique de sensibilité spectrale).
1.9.3. CCD à multi sorties (multi port).
Afin d’accélérer l’évacuation des charges captées dans les cellules CCD, certains composants sont divisés en 2,4,8 zones chacunes équipées d’une sortie (un port). Ceci divise d’autant la durée nécessaire à la lecture de la matrice complète. Chaque sortie doit, bien sûr, être équipée de son propre convertisseur AÆN.
1.9.4. CCD Couleur.
La résolution d’un capteur qui numérise une image sur 8 bits permet de distinguer 256 niveaux de gris (du noir au blanc) avec 12 bits, on distingue 4096 niveaux.. La résolution maximale( en bits) possible avec un capteur peut-être déduite de la dynamique d’un capteur, par exemple pour le KAF401E :
100000
9 100000 - 9 99991 2 soit 16.61
satvert dark n
N e
N e N
n
−
−
=
= ∆ = = =
Pour bénéficier de toute l’étendue de cette dynamique, le convertisseur AÆN qui suit le capteur doit avoir une résolution au moins aussi bonne, on prendra n=18 (en rognant un peu sur les performances, un convertisseur n=16 bits sera plus courant).
Pour rendre un capteur CCD (ou CMOS) apte à reproduire des signaux de couleurs, la surface sensible est surmontée d’une matrice de filtres colorés (Rouge, Vert et Bleu) organisée comme le montre les figures 22 et 23.
C’est néanmoins le filtre mosaïque de Bayer12 qui est le plus utilisé. La matrice de Bayer utilise les informations de 9 pixels adjacents pour calculer les informations de couleur du pixel courant (B22 dans l’exemple) Il respecte la plus grande sensibilité de l’œil dans le vert que dans le bleu et le rouge en utilisant un filtrage composé de 50% de vert, 25% de rouge et 25% de bleu qui donne son nom au codage obtenu « 4:2:2:RGB ».
12Dr. Bryce Bayer : Ingénieur chez Eastman Kodak, inventeur du filtre coloré qui porte son nom.
Figure 22: Matrice colorée de Bayer
R11 R21 R31 R41 R51 R61
G12 B22 G32 B42 G52 B62
R13 G23 R33 G43 R53 G63
G14 B24 G34 B44 G54 B64
R15 G25 R35 G45 R55 G65
G16 B26 G36 B46 G56 B66
22 12 21 23 3
22
2
22 11 13 31 3
22
3
(échantillon coura
( ) / 4
n
( / 4
) )
t
R R R R
G G
R B
G
B
G G
= + + +
=
= + + +
Figure 23: Matrice colonne, diagonale et matrice de Bayer
G22, R22 et B22 constitue les informations de couleurs ou chrominance. La luminance ou information d’intensité lumineuse vaut : Y22=0.3R22+0.59G22+0.11B22 (voir document sur la vision et la reproduction des couleurs : http://www.astrosurf.com/lombry/rapport-restitution-images-ordinateur.htm).
La sensibilité de l’œil étant différente suivant la longueur d’onde et l’intensité de la lumière( voir fig. 24) un traitement des informations de couleurs primaires est indispensable.
350 450 550 650 750 850 950 1050
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Sensibilité globale de l’oeil (valeurs relatives)
Ultraviolets
Infrarouges
Longueur d’onde (nm) R
G
B
Y
Figure 24: Sensibilité relative de l’œil humain
Le nombre d’informations à traiter et à transmettre (éventuellement en temps réel) ! par pixel lié à l’augmentation13 du nombre de pixels des capteurs CCD et surtout CMOS, impose l’utilisation d’un processeur de signal spécialisé DSP intégré ou non à la puce. Le DSP va assurer le traitement complet du signal y compris sa compression pour en réduire la taille. La chaîne de traitement peut prendre l’allure du schéma fonctionnel suivant( voir fig. 25).
Capteur d’images CCD ou CMOS
Filtrage et compensation
de l’image
Système de focalisation et d’exposition
Balance des
blancs Interpolation
de Bayer Équilibrage des couleurs
Post- filtrage
Compression stockage et affichage
Figure 25: Chaîne de traitement de l'image couleur.
Jusqu’à une date récente le transfert des informations image par un port parallèle et le pilotage des horloges par le même canal suffisaitaux circuits CCD (image fixe) 3 x 8 bits ou même 3 x 12 bits.
Depuis l’apparition de capteur CMOS de grande dimension, l’utilisation d’une transmission série rapide à l’aide d’un bus LVDS14 optimise l’immunité aux bruits et la consommation (appareils portables). Ceci nécessite des circuits spécialisés (AFE15) capable de fabriquer les horloges et les signaux nécessaires. Le traitement de l’image ne s’arrête pas à une simple transmission comme le montre le schéma fig.25.
Ce schéma montre la succession des traitements d’une image native au format RAW16 ; l’ensemble du traitement peut-être réalisé par un seul circuit spécialisé tels ceux de la famille « Blackfin » de Analog Devices. Avant que l’obturateur ne soit déclenché, le système de focalisation et d’exposition règle
13 4 à 20 milions de pixels ; DALSA fournit même un capteur de 111 M. de pixels(2006).
14 LVDS : Low Voltage Differential Signaling.
15 AFE : Analog Front End : Circuit analogique en « première ligne ».
16RAW : (de l'anglais raw, qui signifie brut) est un format d'images numériques. C’est une désignation commune pour les fichiers n'ayant subi aucun traitement. Un fichier au format RAW est un fichier numérique peu compressé qui contient les informations brutes enregistrées par le capteur. Ce fichier n'a subi aucun des traitements de linéarisation, dématriçage, contraste, luminosité ou saturation, nécessaires pour produire une image lisible. Microsoft compte intégrer RAW dans son futur système Windows Vista.
Capteurs CCD
l’ouverture, la vitesse d’obturation et effectue la mise au point par visée infrarouge, ou grâce au signal vidéo. L’acquisition de l’image étant faite, le bloc « filtrage et compensation » ajuste les paramètres de l’image tel le « gamma17 », les non linéarités, les imperfections de l’optique et du capteur (pixels blancs, morts) ; le bloc « balance des blancs » ajuste la température de couleur de blanc de l’image ; le bloc
« interpolation de Bayer » calcule les signaux RVB pour chaque pixel ;les traitements suivants correspondent à des filtrages et une compression des informations.
1.9.5. Refroidissement.
Face froide
Face chaude
Figure 26: Module Peltier
Comme on l’a vu au paragraphe 1.7, la limite base de détection d’un capteur CCD est limitée par la production d’ électrons « thermiques ». Dans les applications scientifiques, en astronomie la détection de lumière faible est un objectif premier, il est donc nécessaire de refroidir le capteur. Ceci est en général réalisé simplement à l’aide d’un module Peltier18 thermiquement relié au capteur et dont on évacue la chaleur extraite par un dissipateur thermique associé à un ventilateur. Ce module Peltier nécessite une circulation de courant importante pour obtenir un refroidissement d’une trentaine de degré Celsius par module.La face froide est au contact du capteur et les modules sont cascadables (figure 26 et 27).
17Gamma : La caractéristique gamma est une relation suivant une loi de puissance approchant la relation liant la luminance d’un système de télévision et la brillance perçue réellement de l'image. Ir=Iγ il faut compenser par
1
Ic=Irγ (γ 2 à 2.5) pour obtenir une réponse linéaire I.
Simplement, considérons l'exemple d'un tube monochrome. Dans ce cas, quand un signal vidéo de 0,5 (représentant le gris médian) alimente l'affichage, l'intensité ou brillance perçue n'est que de 0,21 environ (ce qui donne un gris sombre). Il faut donc pré-compenser par une correction du gamma de 0.79 (un gris clair). Le noir pur (0,0) et le blanc pur (1,0) sont les seuls tons qui ne soient pas affectés par l’exposant gamma.
Intensité précorigée en gamma : Ic
0.0
#000000 0,1
#656565 0,2
#858585 0,3
#9D9D9D 0,4
#B0B0B0 0,5
#C1C1C1 0,6
#CFCFCF 0,7
#DDDDDD 0,8
#E9E9E9 0,9
#F4F4F4 1,0
#FFFFFF
caractéristique du reproducteur de l’image : Ir
0.0
#000000 0,1
#3F3F3F 0,2
#616161 0,3
#7B7B7B 0,4
#939393 0,5
#B8B8B8 0,6
#BCBCBC 0,7
#CDCDCD 0,8
#DFDFDF 0,9
#EFEFEF 1,0
#FFFFFF
résultante :Encodage linéaire I
0.0
#000000 0,1
#191919 0,2
#333333 0,3
#4C4C4C 0,4
#666666 0,5
#7F7F7F 0,6
#999999 0,7
#B2B2B2 0,8
#CCCCCC 0,9
#E5E5E5 1,0
#FFFFFF
Dans le tableau ci-dessus, la ligne Ir montre un tube image incapable de reproduire des gris très sombres, la correction par Ic produit la résultante (ligne du bas).
Voir :http://www-inf.enst.fr/~vercken/couleurs/gamma.pdf#search=%22correction%20gamma%22 : Les instances internationales de normalisation recommandent de prendre, pour cette correction, une fonction puissance d'exposant 0,45(gamma=2.2 ), le gamma de l’œil étant de 3, ce qui corrige le « gamma » des tubes cathodiques. Les normes d'échange d'images qui utilisent la valeur 0,45 sont très répandues. Les nouveaux écrans comme les écrans à cristaux liquides (LCD) ont une nonlinéarité différente de celle des tubes cathodiques. Ils incorporent une correction gamma" locale pour s'adapter à leur propre fonction de transfert et à la fonction de transfert qui a été normalisée pour l'échange d'images.
18 Peltier: On nomme effet Peltier, du nom du physicien Jean-Charles Peltier, un effet de déplacement de chaleur en présence de courant électrique dans des matériaux conducteurs de natures différentes liés par des jonctions (contacts). Une des jonctions se refroidit alors légèrement, pendant que l'autre se réchauffe..
Figure 27: Assemblage du refroidisseur
2. Caractéristiques des capteurs d’images CCD.
2.1. Caractéristiques principales.
Paramètres valeurs valeurs pour le KAF –0401E) unités
Type CCD ou CMOS
éclairé par l’avant, par l’arrière, couleur ou
monochrome
CCD monochrome, éclairé par l’avant
Organisation FFT,FT, interligne FFT
Nombre de pixels 512 X 512(250000)
à 16646 X 22236 (111 Mpixels) 768 X 512 (~400 000) pixels
Taille du pixel 6 d 140≤ ≤ 9 µm
Niveau de saturation (registre vertical)
45 Ns 500≤ ≤ 100 Ke-
Facteur de conversion 1.7≤Kv≤40 10 µV/e-
Bruit de lecture 5≤N≤70 9 e- (à 25°C)
Dynamique 65≤D≤85 74 dB
Courant d’obscurité (à T°C)
5≤ ≤n 100 25 e-/pixels/s
à 25°C
2.2. Facteur de conversion de l’amplificateur de sortie
Il caractérise l’efficacité de conversion de l’amplificateur (FDA) comme le rapport de la tension ∆Vout résultante en sortie et de la quantité d’électrons Q transmise par la porte « OG » .
1.6 *10 19* = n Vout Vout
Sv Q
− ∆ ∆
= ( n= nombre d’électrons).
(Exemple Sv=10µV e/ − pour le KAF401E).
2.3. Sensibilité spectrale
La sensibilité spectrale représente l’évolution de l’efficacité quantique (QE) en fonction de la longueur d’onde de la lumière incidente. Elle dépend vers les grandes longueurs d’onde (infrarouges) de la nature du semi-conducteur du substrat et de son dopage, et vers les faibles longueurs d’onde (ultraviolets) de la géométrie des structures des pixels.
Le spectre couvert va de 200nm environ à 1200nm environ. La plupart des CCD présentent un maximum dans le bleu-vert (QE~40% à 60% entre 550 et 650nm : jaune vert ). Les capteurs avec des grilles en silicium polycristallin ont peu de sensibilité dans l’ultraviolet. Dans l’infrarouge, la sensibilité est d’autant plus faible que l’épaisseur de la zone photosensible est grande (fig. 28). Les capteurs CCD et CMOS ont une étendue spectrale plus grande que l’œil humain.
350 250
150 450 550 650 750 850 950 1050
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Efficacité Quantique(QE) % Sensibilité globale de l’oeil (valeurs relatives)
Longueur d’onde (nm)
Ultraviolets L (oeil) Infrarouges
KAF401E UV-A (380-315 nm)
UV-B (315-280 nm) UV-C (280-10nm)
IR proches (700-5000nm) IR moyens (5000-30000 nm) IR lointains (30-1 000 m).µ
Figure 28: Sensibilité spectrale du KAF-401E
Capteurs CCD
2.4. Non Uniformité de la réponse photonique des pixels (NPRU).
Malgré les soins extrêmes apportés à la fabrication de ces circuits, chaque pixel ne se comporte pas exactement comme ses voisins (défauts de géométrie, défaut optique de la fenêtre de la zone sensible, impureté du SI, variation dans le processus de fabrication etc.). Ceci affecte l’efficacité quantique , qui n’est pas la même pour chaque pixel.
Cette dispersion est vue comme un bruit permanent, d’autant plus grand que le signal est important (voir fig.29). Ce paramètre est caractérisé par un rapport signal à bruit : NPRU(%) Bruit *100
Signal
= .
Pour les signaux très faibles (<100e-), le bruit est sensiblement constant (pour une température donnée), c’est le bruit thermique (voir par. 2.9 ).
2.5. Niveau de saturation des pixels.
Ils sont donnés en nombre d’électrons Nsat, ou en volts si on connaît le coefficient de transfert de l’amplificateur de sortie pour :
Les registres verticaux.(Nsat_V)
Le registre horizontal.(Nsat_H
La porte de sortie(Nsat_out ou Vsat_out) : Vsat_out=Nsat_out Sv*
Pour le KAF 401E : Nsat_V=100Ke- ;Nsat_H=200Ke- ; Nsat_out=220Ke- Pour une image, seul le niveau de saturation vertical est important.
2.6. Linéarité
Elle est en général supérieure à 99% sauf pour les faibles éclairements. Ce défaut est principalement du à la variation de la capacité Cgs de l’amplificateur de sortie en fonction de la tension de sortie.
2.7. Coefficient d’efficacité du transfert des charges (CTE ).
Théoriquement, lors du décalage, toutes les charges devraient être transférées vers le puits de potentiel suivant ; en réalité un transfert à 100% n’est pas parfaitement atteint à cause des impuretés du silicium et des polluants introduits lors de la fabrication. Néanmoins le CTE est très proche de 1.
0.99999
CTE≈ pour le KAF401E.
2.8. Courant d’obscurité (Dark Current)
Un capteur CCD fournit une faible tension en sortie même lorsqu’il n’est soumis à aucune lumière. Ces charges parasites proviennent de la création de paires électrons/trous causée par l’agitation thermique. Ces paires sont produites dans 3 zones :
1. le substrat
2. la zone de déplétion N
3. l’interface entre la couche N et l’isolant SiO2.
C’est dans la zone 3 d’interface qu’est produit la majorité des paires
100 100
101 101
102 102
103 103
Bruit (e-)
Signal (e-)
T=25°C
104 105
10-4
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 10-3
10-2 10-1 100 101 102 103 104
Courant d’obscurité (e/pixels)
-
Température (°C) Figure 29: Bruit thermique et NPRU
Figure 30: Evolution du courant d'obscurité en fonction de la température
électrons/trous thermiques . Le nombre de paires électrons thermiques ou courant d’obscurité double tous les 5 à 7°C (voir fig. 30).
Solutions :
1. Refroidir le capteur CCD (voir paragraphe sur le refroidissement).
2. le « Voltage Pinning » : Pour déplacer les charges, on pourrait se contenter d’appliquer des niveaux horloges entre 0V(potentiel du substrat) et +Vg (+6V par exemple pour le KAF401E). On observe qu’en polarisant les grilles à un potentiel négatif précis(-4V par exemple pour le KAF401E) , pendant les phases inactives on réduisait considérablement les paires électrons/trous thermiques de la couche d’interface. En effet cette inversion de tension modifie les propriétés de conduction sous l’isolant SiO2 , favorisant l’évacuation des trous et refoulant les électrons indésirables loin dans le substrat, en modifiant son type de conduction (normalement P) en un type N. Ce procédé nommé
« Voltage Pinning » ne fonctionne que pour les tensions (négatives et positives) des horloges indiquées par le constructeur.
2.9. Bruits. (Noises)
De nombreuses sources de bruit affectent les capteurs CCD et CMOS, tels les bruits de recombinaisons des porteurs de charges dans les semi-conducteurs ou les rayonnements cosmiques. Si on ne considère que les bruits intrinsèques des CCD, on peut les regrouper en 4 catégories :
1. Nf : Bruit de motif (Fixed Pattern Noise).
Ce bruit correspond à la variation de la photosensibilité de pixels voisins. Ces différences de sensibilité proviennent des variations géométriques et physico-chimiques du procédé de fabrication.
Le bruit de motif croit proportionnellement à l’amplitude du signal. Ce bruit est nul pour un pixel pris individuellement (voir fig.31).
2. Ns : Bruit de grenaille (Shot Noise) ou bruit quantique.
Le bruit de grenaille est produit par les variations statistiques du nombre de photons incidents qui atteignent la zone de photosensible. On montre que la statistique d’arrivée des photons est poissonnienne19. Lorsque l'on attend N E
hυ
= photons, la valeur moyenne observée est N et la fluctuation N autour de cette valeur moyenne. Il s'ensuit un rapport signal à bruit déterminé par le flux de photons égal à : / N
Signal bruit N
= N = .
Light exposure
Fixed pattern noise (slope=1)
Shot noise (slope=1/2)
Dark shot noise (slope=0) Readout noise (slope=0)
Signal & noise
Signal (pente=1)
Figure 31: Bruits dans les capteurs CCD en fonction de l'intensité lumineuse
19 La distribution de Poisson décrit un processus ponctuel aléatoire dont les instants de réalisation sont aléatoires. Par exemple, la recombinaison des paires électron-trou dans une jonction est de ce type.
Capteurs CCD
Tous les semi-conducteurs sont affectés par ce type de bruit (traversée de jonction par des porteurs de charges). En électronique, on parle de bruit de grenaille, et de bruit de photons en optique : c’est, d’une manière générale, un bruit quantique car lié à la nature corpusculaire des porteurs d’énergie (photons) ou des porteurs charges (électrons ou trous). Ce bruit de grenaille est proportionnel à la racine carré de l’amplitude de l’intensité lumineuse qui atteint le capteur. Si par exemple 100000 e- sont produits par des photons, ils produiront un bruit de 100 e- (voir fig.31).
3. Nd : Bruit de grenaille du courant d’obscurité (Dark Shot Noise).
Le courant d’obscurité est également affecté d’un bruit de grenaille. On a vu que le courant d’obscurité Idark et l’efficacité quantique QEdépendaient des mêmes caractéristiques physiques du capteur, le courant d’obscurité est affecté par les recombinaisons d’électrons et de trous dans la zone de déplétion. Ces recombinaisons produisent un bruit de grenaille du courant d’obscurité Nd, proportionnel à la racine carrée du nombre d’électrons généré dans l’obscurité par l’agitation thermique20, mais reste indépendant de la quantité de photons arrivant sur le photo capteur.
Le seul moyen de réduire ce bruit est de réduire le courant d’osbcurité, donc en refroidissant le capteur.
L’écart entre les courants d’obscurité de pixels voisins est beaucoup plus grand que l’écart de leur sensibilité .
4. Nr Bruit de lecture (Readout Noise).
C’est un bruit thermique provenant de la structure de l’amplificateur de sortie (MOS). Il est constant, indépendant du nombre de photons incidents et ne peut-être réduit que par un refroidissement de cette structure (coupure de l’alimentation pendant le temps d’intégration, refroidissement forcé).
Le bruit de lecture peut être considéré comme le bruit plancher d’un capteur CCD limitant le seuil de détection d’une lumière. Il est indirectement dépendant des courants qui circulent dans la structure de l’amplificateur. L’effet Joule produit par la circulation du courant de sortie ( c’est le plus grand) est proportionnel au carré de celui- ci :W =R Is* 2*t. Et la tension de bruit est proportionnelle à la racine carrée de la température
4 * * * *
b ds
U ∼ K T R ∆f . Plus ce courant sera faible et moins il circulera longtemps, plus le bruit thermique sera faible. S’ajoute le bruit en 1/f, dont l’origine est encore mal connu, commun à tous les semi conducteurs, dont les effets ne sont sensibles qu’à faible fréquence(f<1kHz).
Le bruit résultant n’a pas une distribution uniforme en fonction de la fréquence comme le montre la
figure 32 qui indique l’intérêt à opérer une lecture à une vitesse raisonnable mais pas trop faible quand même.
20Agitation thermique :Quand un corps est porté à une certaine température, les noyaux atomiques mais surtout les électrons qui le composent (en raison de leur plus faible masse) sont agités, et dotés d'une vitesse en moyenne nulle (ils ne vont en moyenne dans aucune direction particulière), mais dont la moyenne quadratique (c'est-à-dire la racine carrée de la moyenne des carrés des vitesses) est proportionnelle au produit de la température, exprimée en degrés Kelvin, et d'une constante k, appelée constante de Boltzmann, qui vaut k= 1.38.10-23J/K : cette agitation des électrons correspond au bruit thermique. Tous les matériaux (les conducteurs et semi-conducteurs plus particulièrement) y sont soumis, même en l’absence de champ électrique (donc en absence de tension). Le physicien Johnson a mis en évidence ce bruit (dit aussi de Bruit de Johnson) en 1927. L'étude théorique en a été faite en 1928 par Nyquist.
Figure 32: Evolution du bruit de lecture en fonction de la fréquence.
101
100 102 103 104
0 5 10 15
Bruit de lecture er)
- ms
Fréquence (Khz)
Bruit thermique
Bruit 1/f
