Les capteurs pour l’imagerie planétaire, lunaire et solaire Frédéric Jabet Sola

Les capteurs pour l’imagerie planétaire, lunaire et solaire Frédéric Jabet Solaire ≈ planétaire ≠ ciel profond • Planétaire (sauf Lune) + Rendement quantique + Bruit de lecture + Réponse en R/IR • Solaire / Lunaire + Bruit de lecture + Dynamique + Débit d’image Karine Chevalier Frédéric Jabet • Ciel profond + Rendement quantique + Bruit de lecture + Signal/bruit de noir + Sensibilité ligne HA Frédéric Jabet Cela peut être le même capteur (ex ICX285) Pas la même électronique Les caractéristiques des capteurs et caméras à connaître et comprendre Les spécifications importantes d’une caméra 1/3 • Rendement quantique – Efficacité dans la conversion entre photons et électrons – Varie en fonction de la longueur d’onde – Dépend du capteur et de sa version • Capacité en électrons (well depth) – Participe à la dynamique – Dépend du capteur et de la taille des photosites Les spécifications importantes d’une caméra 2/3 • Vitesse de lecture – Vitesse à laquelle les charges des photosites sont transférées vers les registres – Dépend du capteur et de la caméra – Joue sur le bruit de lecture – Photosites/s ou (M)Hz • Shutter mode – Méthode de lecture des lignes – Rolling shutter : pas de cohérence temporelle, moins de bruit de lecture – Global shutter : cohérence temporelle, demande une meilleure électronique Les spécifications importantes d’une caméra 3/3 • Bruit de lecture – Bruit généré lors de la lecture/amplification/conversion des charges – Donné en électrons RMS – Dépend du capteur, de la caméra et du type de shutter (rolling/global) • Dynamique – Capacité à discriminer hautes et basses lumières – Dynamique = capacité en électron / bruit de lecture – Dépend du capteur et de la caméra – Données en bits ou db – Ex ICX445 : 6900/9,6 = 718 niveaux de gris – 718 ≈ 29,5 En résumé Un bon signal/bruit Pourquoi ? – Plus d’accentuation – Renforcement des contrastes Comment ? – Débit (interface) – Sensibilité – Bruit de lecture – Bonne électronique De la dynamique Pourquoi ? – Acquisition des faibles contrastes – Modelé (mers lunaires) Comment ? – Bruit de lecture faible – Capacité en e- – Quantification 12 bits De figer la turbulence Pourquoi ? – Limiter la perte de résolution – Facilité le morphing Comment ? – Sensibilité – Mode de shutter – Débit Comprendre trois nouvelles technologies Le rolling shutter Emmanuel Beaudoin, Basler 1300 Le rolling shutter Permet de réduire la vitesse de lecture unitaire tout en conservant le débit global – Réduction du bruit de lecture – Coût inférieur Absence de cohérence temporelle – Les lignes ne sont pas acquises en même temps – Deux images N et N+1 exposées en même temps Gênant si exposition ≈ cohérence turbulence – T0=R0 / Vitesse vent – R0 faible de jour : T0 < ms → Absence de cohérence entre les lignes d’une même image Utilisable si exposition >> cohérence turbulence Le rolling shutter Capteur rolling shutter 4ms E2V 76C560 Capteur global shutter 4ms E2V 76C560 Images traitées (stacking / ondelettes) Comprendre trois nouvelles technologies Backside illumination Claude Navarro, Basler 1300 Frontside/Backside illumination Inversion électronique/puit de potentiel – Suppression éventuelle des µlentilles – Coût de revient plus élevé Meilleur rendement Ouverture numérique supérieure Meilleure MTF Document E2V/DGA Comparaison FI/BI sur base E2V 76C560 Comprendre trois nouvelles technologies Deep depletion et thin sensor Philippe Tosi, Basler 1300 Fonctionnement d’un CCD Charge Silicium P Silicium N Isolant Electrode Photon incident Les photons arrachent un électron aux atomes du substrat Les électrons sont capturés par le champ de potentiel Plus la longueur d’onde est élevée et plus le photon pénètre profondément dans le capteur Capteur front illuminated classique Potentiel Le potentiel décroît rapidement dans la partie P de la jonction : la depletion zone (zone de potentiel élevé) est étroite Un électron arraché trop profondément ne sera pas capturé mais se recombine avec le substrat : cas du R/IR Capteur front illuminated thinned Note : le cheminement des photons est inversé !! Le capteur est aminci pour améliorer le niveau de potentiel et donc le rendement quantique La perte d’électron à l’entrée est faible : meilleure sensibilité dans le bleu Les photons R/IR traversent le substrat Potentiel Exemple de capteurs deeply depleted L’épaisseur du capteur est augmentée Un silicium dopé à haute résistance électrique permet de maintenir le potentiel élevé L’épaisseur permet d’éviter la perte de photon dans R/IR Baisse de sensibilité dans le bleu Coût de fabrication élevé Potentiel Comparaison standard/deep depletion CMOSIS CMV4000 : 5 et 12µm E2V 76C560 et 76C661 NIR 0 10 20 30 40 50 60 70 80 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1 000 Les capteurs actuels Flavius Isac, IDS 3240 NIR Les générations de capteurs Sony ICX HAD/super HAD « legacy » - Génération DMK, Skynyx… -ICX 098, 414, 424, 204, 205, 267, 274… - Pic à 500nm à 45% environ - Introduction des microlentilles sur Super HAD Sony ICX Exview & Exview II - Génération actuelle Basler 640/1300, DMK618, PGR Flea3 : ICX618, 445, 285… - Réponse étendue R/IR : deep depletion - Exview HAD II en cours de déploiement : plus sensibles : ICX672, 674, 694. - Techno « quad tap» dans ICX674 : 50fps (€€€) CMOS IMX Exmor - ADC par colonne - Sensibilité comparable à HAD - IMX035/036/IMX104 - Implémentation en rolling shutter et petits pixels - Exmor R back illuminated ? E2V et CMOSIS -E2V : multi AoI, 1280x1024 60fps - Global shutter, 70% QE - Bruit de lecture 10e- rolling / 15 e- global -CMOSIS : 2000x2000 180 fps - Bruit de lecture <13e- - Global shutter Le CMOS a-t-il rattrapé le CCD ? Basler 640 ICX 618 IDS 3240 NIR E2V 76C661 Flavius Isac, Meade ACF 10’’ Le CMOS a-t-il rattrapé le CCD ? Basler 640 ICX 618 IDS 3240 NIR E2V 76C661 Flavius Isac, Meade ACF 10’’ Mesures CMOSIS CMV4000 Basler aca2040-25gm Gain réel pour gain mini (12bits) : 0,25 e-/ADU Bruit de lecture : 13,7 e- Well Depth : 16800 e- Dynamique : 1233 niveaux / 10,3 bits / 62 dB Bruit de lecture Espace des fréquences Image HA CMOSIS CMV4000 Basler aca2040-25gm Rendement quantique 0 10 20 30 40 50 60 70 80 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1 000 ICX618 ICX445 ICX204 EV76C661 CMOSIS CMOSIS NIR uploads/Litterature/ s3-0211-f-jabet.pdf

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