TP CCD – fonctionnement

TP CCD – fonctionnement
Ce TP a pour objectif de vous faire comprendre comment fonctionne une chaîne d'acquisition d'image
numérique. On se limitera ici à l'étude du capteur CCD (Charge Coupled Device) et de l'étage de préamplification (cf. cours). On étudiera donc le fonctionnement d'un capteur CCD, la mise en forme des
horloges permettant de lire l'image contenue dans le CCD. Dans un troisième temps, on étudiera les
différents signaux avec un oscilloscope.
La caméra CCD utilisée pour les TPs est une caméra Audine, équipée d'un capteur CCD Kodak
AF400.
Matériels utilisés :
− 1 ordinateur fonctionnant sous Windows permettant de lancer le logiciel Audela qui
permet de piloter la caméra;
− 1 caméra Audine;
− 1 boîtier d'alimentation de la caméra;
− 1 natte pour raccorder la caméra au l'ordinateur sur le port parallèle lp1;
− 1 plaquette sur laquelle est déportee la chaîne d'acquisition; ce qui permet de visualiser à
l'oscilloscope les différents signaux.
Le boîtier d'alimentation possède un interrupteur général placé à l'arrière. La mise sous tension de la
caméra se fait dans l'ordre : allumer le bouton +15/-15 V, puis celui du ventilateur. Ne pas allumer le
refroidissement Peltier.
Boîtier caméra Audine.
Boîtier d'alimentation de la caméra (interrupteur général au dos du boîtier).
Capteur CCD & chaîne d'acquisition (analogique et numérique) reportés sur une tablette.
Oscilloscope.
1. Fonctionnement général d'une caméra CCD
Pour le fonctionnement d'une caméra CCD, merci de vous reporter au cours. Ici, on étudiera la caméra
CCD Kodak AF400. Il s'agit d'un CCD à 2 phases.
Pourquoi ne faut-il pas allumer le Peltier pour cette partie? On rappelle que le Peltier permet de
refroidir le CCD en dessous de 0oC.
1.1. La matrice
A partir du schéma ci-dessous, repérer les caractéristiques et les différentes zones de la matrice CCD.
De quel type de CCD s'agit-il ?
Figure 1 – Schéma du capteur CCD Kodak AF400
1.2. Le transfert des charges
Dans la figure ci-dessous, chaque photo-site de la matrice a reçu une certaine quantité de lumière et a
généré des électrons notés par des lettres de l'alphabet.
1) Quelles opérations doivent être effectuées pour permettre de lire les charges stockées sur la
caméra ?
2) Montrer quelles sont les caractéristiques essentielles du registre pour que la lecture se passe
correctement.
3) Compte tenu que le CCD est un 2 phases, préciser le nombre d'horloges nécessaires pour assurer la
lecture de la caméra.
1.3. Acquisition d'une image
Pour ouvrir Audela, cliquer sur l'icône Audela-123 et sélectionner Audace. Aller dans le menu
déroulant de l'application sur l'onglet Panneau et sélectionner Acquisition pour faire apparaître la
barre d'outil. On prendra des images en mode image (mode par défaut) et en binning 1x1 (cf. cours).
Le temps d'acquisition est donné en seconde. Pour prendre une image, appuyer sur GO CCD. Pour
sauvegarder une image, mettre un nom dans la case prévue à cet effet et appuyer sur sauvegarde. Les
images sauvegardées sont au format FITS (Flexible Image Transport System –
http://fits.gsfc.nasa.gov/) et sont stockées dans le répertoire C:\audela-123\images\.
1) Faire l'acquisition d'une image avec un temps de pose de 10s (caméra face vers la table).
2) A quoi correspond l'image obtenue ?
3) A quoi correspondent les pixels “blancs” (avec une valeur d'intensité la plus grande) observés
et les lignes verticales ?
4) Refaire une image en soulevant cette fois la caméra. Commenter l'image obtenue. A quoi
correspond-elle ?
2. Chronogramme
Le chronogramme est l'enchaînement des variations des tensions appliquées aux bornes du capteur
CCD. Il s'agit de tensions en créneaux (un état haut et un état bas). Ces signaux permettent de décaler
les charges dans les photo-sites du CCD afin de les faire sortir par une broche de sortie. Ci-dessous, le
chronogramme général de lecture de la matrice CCD (extrait de la datasheet de Kodak).
Le tableau ci-dessous indique les durées minimales à respecter pour assurer un bon transfert des
électrons.
Tableau 1 – Conditions d'opération du capteur CCD.
Les deux chronogrammes ci-dessus montrent les détails du chronogramme à respecter pour une
lecture en binning 1x1. Vout correspond à la tension en sortie du composant CCD.
2.1. Lecture d'un CCD à 2 phases réelles.
1) Sachant que pour un capteur CCD à 2 phases réelles le puits de potentiel d'un photo-site correspond
à un double créneau (i.e. une marche de potentiel sous chaque électrode – voir le schéma ci-dessus),
montrer comment le chronogramme des horloges ΦV1 et ΦV2 revient à décaler les charges d'un photosite à un autre.
2) Faire des schémas pour chacunedes étapes. On rappelle que l'état haut correspond à une tension -V,
alors que l'état bas correspond à une tension +V.
Remarque : lorsque les tensions V1 et V2 changent, la marche de potentiel sous chaque électrode
est décalé d'un bloc.
3) A quoi sert la seconde impulsion pour l'horloge ΦV1 ?
4) Expliquer la fonction zi_zh du listing du logiciel tp.c.
5) Même question avec ΦH1 et ΦH2 pour la fonction readpel_fast.
6) Quel est le rôle de la fonction libcam_out ?
2.2. Vidage
Le vidage consiste en l'évacuation rapide des charges de la matrice CCD, sans numérisation avant le
temps de pose.
Expliquer succinctement la fonction fast_vidage du listing tp.c.
3. Analyse des signaux à l'oscilloscope
Aidez-vous du cours et des points étudiés aux sections précédentes pour expliquer sur votre copie la
forme des signaux observés à l'oscilloscope dans les cas suivants. Dans chaque cas, vous devrez
repérer les étapes de vidage (nécessité d'utiliser la fonction storage de l'oscilloscope), du temps de
pose et de lecture. Noter clairement sur votre copie ces étapes et ce que vous observez à l'écran de
l'oscilloscope. Noter aussi sur votre copie les différents réglages utilisés. Prendre un temps de pose de
5 s.
3.1. Analyse de V1-V2
Oscillo: V1 sur la voie 1 et V2 sur la voie 2. Trigger sur la montée de V1.
1) Observer et décrire la séquence de vidage (échelle des temps ~ 500 μs – 1 ms) en binning 1x1.
2) Même chose pour la séquence de lecture (échelle des temps ~ 10-20 μs) en binning 1x1.
Noter la durée de chaque palier pendant la séquence de lecture. Comparer vos valeurs avec
celles du tableau 1.
3) Pourquoi existe-t-il une valeur minimale ? Combien de temps faut-il pour transférer
verticalement les charges d'un photo-site à l'autre ?
4) Observe-t-on quelque chose pendant le temps de pose ? Est-ce normal ?
3.2. Analyse de H1-V2
Analyser en binning 1x1 les signaux H1 (voie 2) et V2 (voie 1) en distinguant les séquences de vidage
et de lecture. Trigger sur la montée de V2.
1. Expliquer ce que vous observez pour H1 et V2 pendant la sequence de vidage.
2. En utilisant les signaux observés à l'oscilloscope pendant la séquence de vidage, mesurer le
temps nécessaire pour effectuer le vidage complet de la matrice.
3. Même chose pendant la séquence de lecture.
4. Mesurer les différents paliers de H1 (durée) pendant la séquence de lecture.
5. En déduire le temps nécessaire pour transférer horizontalement les charges d'un photo-site à
l'autre.
6. Calculer le temps nécessaire pour lire l'ensemble des charges de la matrice.
3.3. Analyse des signaux H1-R
Analyser en binning 1x1 les signaux H1 (voie 2) et R (voie 1) pendant la séquence lecture. Trigger sur
la montée de R.
Sur quel front de H1 le signal R passe-t-il à l'état haut ?
1.3.4. Analyse des signaux CL-R
Analyser en binning 1x1 les signaux CL (voie 2) et R (voie 1) en distinguant la séquence de lecture.
Trigger sur la montée de R.
1. Commenter le signal CL. Combien de paliers sont visibles ?
2. Relancer une nouvelle acquisition mais cette fois rajouter un peu de lumière en soulevant la
caméra pendant un bref instant.
1. Que se passe-t-il ?
2. A quoi correspondent les différents paliers ?
3. Où est l'information utile ?
4. Pourquoi observait-t-on un signal même lorsque la caméra est dans le noir (face vers la
table) ?
En déduire le rôle de R. Vous pourrez également visualiser CL et H1 pour vous aider.