ESE 22 Formation Capture et restitution dimages avril
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ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Systèmes d’imagerie & 0 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22 "Formation, Capture et Restitution d’images"
Première partie I. Propriétés de l’œil humain II. Les standards de télévision III. Prise et restitution d’image IV. Fonctionnement des CCD Seconde partie IV. Fonctionnement des CMOS (APS) V. La couleur VI. Intensificateurs de Lumière (I. L. ) VII. Memo de photométrie 1 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Sommaire
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 1. Physiologie 2. Sensibilité 3. Résolution 4. Synthèse 2 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales I. Œil humain
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 1. Physiologie 2. Sensibilité 3. Résolution 4. Synthèse 3 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales I. Œil humain
Adaptation à l’éclairement : ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Physiologie Rétine Cellules visuelles : § Cônes (x 6 à 7 M): vision colorée mais seulement par fort éclairement § Batônnets (x 100 M): vision achromatique même par faible éclairement 4 § Contraction / dilatation de l’iris § Modification du diamètre de la pupille Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 1. Propriétés de l’œil humain
Sensibilité Vision de jour (grâce aux cônes) : courbe photopique Max à = 0. 56µm (vert - jaune) Vision de nuit (grâce aux bâtonnets) : courbe scotopique Max à = 0. 51µm (bleu - vert) 5 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales L ( ) ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 1. Propriétés de l’œil humain
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Résolution Pouvoir de résolution moyen: env. 1 min d’arc Vision exprimée en 10 ième: 1/résolution: 10/ 10 ième 1’ d’arc 14/ 10 ième 0. 7’ d’arc Champ de visibilité à bonne résolution < 2° (120 min d’arc) Test d’acuité visuelle 6 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 1. Propriétés de l’œil humain
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 1. Chaîne image 2. Origine du standard vidéo 3. Divers standards vidéo et TVHD 4. Histoire de la prise d’image 5. Concept capteurs 7 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales II. Prise et restitution d’image
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Optique Collectrice de flux Détecteur Absorbe les photons et génère des électrons puis les convertit en tension Unités de traitement et de mise en forme de l’image Système de visualisation 8 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 1. Chaîne image
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier FORMAT IMAGE Vision binoculaire Choix d’un format rectangulaire horizontal Limitation technologique des premiers imageurs (tubes circulaires VIDICON) et compatibilité avec le standard cinéma (carré à l’origine) • L'académie américaine du cinéma (Academy of Motion Picture Arts and Sciences) définit en 1929 un nouveau standard, plus esthétique qu'un format carré, : le format 1, 375: 1 géométriquement exact, 4 sur 3 retenu dans la projection, appelé format « Academy » . (Resté en vigueur 4 jusqu'aujourd'hui!) Format image = 4/3 9 3 5 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 2. Origine du standard vidéo
10 Caractéristique typique de la vision Résolution angulaire 1’ d’arc (1/60°) GE A IM V T Angle de vision à bonne résolution < 2° (120 ’ d ’arc) rétine fovéa H Oeil D = 4 H Vision confortable si la distance d’observation D : D = 4 x Hauteur de l’image observée dimension angulaire totale de l’image (arctg(1/4)= 14° (840 ’ d ’arc) Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 2. Origine du standard vidéo
11 NOMBRE DE LIGNES RETENU : Dans toute portion de champ visuel de 2° : Résolution angulaire de l’œil = 1’ d’arc Résolution de l’œil = 1/800 de la hauteur d’image Pour ne pas voir la structure lignée de l’image : choix d’un nombre de lignes voisin de 800 1ères TV en France à 819 lignes standard SECAM Par expérience : 500 lignes suffisent (structure des lignes visible mais non gênante) Compteur par tubes triode 625 lignes standard PAL Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 2. Origine du standard vidéo
12 FREQUENCE DE RAFRAICHISSEMENT (Image rafraîchie périodiquement) Tubes à rayons cathodiques (TRC) Choix de fréquence de rafraîchissement égale à la fréquence du secteur, multiple ou sous-multiple Choix en Europe : 50 ou 25 images/seconde Phénomène de papillotement : Pour un niveau lumineux de l’écran donné, existence d’une fréquence critique de rafraîchissement en deçà de laquelle l’œil perçoit un papillotement Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 2. Origine du standard vidéo
13 Hz Courbes valables pour un champ de vue étroit, et une rémanence d’écran du type TV couleur à TRC 70 60 50 Le papillotement n ’est pas visible 40 30 Le papillotement est visible 20 0, 1 1 100 10 Luminance de l’image (Cd/m 2) 1000 Cd/m² Vision confortable pour une luminance 100 Cd/m 2 Fréquence de rafraîchissement minimale = 50 Hz Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Phénomène de papillotement (suite) Fréquence critique d’apparition du papillotement (Hz) ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 2. Origine du standard vidéo
14 BANDE PASSANTE Restriction de la bande passante allouée par le CCIR* pour la transmission TV à 6 MHz contre les env. 12 MHz nécessaires (Nb lignes x Nb colonnes x fréquence trame) Conséquence : Fréquence image de 50 Hz trop rapide pour la techno et la BP Invention du balayage entrelacé permettant de diviser par deux la bande passante vidéo *Comité Consultatif International des Radio-télécommunications aujourd’hui nommé UIT-R (Unité Internationale des Télécommunication) Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 2. Origine du standard vidéo
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 15 ENTRELACEMENT de deux trames Début trame paire Début trame impaire Image (Frame) Trame paire (Odd field) Trame impaire (Even field) Fin trame paire Fin trame impaire Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 2. Origine du standard vidéo
ENTRELACEMENT Avantages : Bien adapté aux TRC, grâce à la rémanence du tube Effacement progressif (ligne par ligne) de chaque trame avant l’arrivée de la trame suivante Répond aux contraintes de limitations technologique et de bande passante limitée Inconvénients : Rémanence de scène à défilement rapide Distorsions des incrustation de caractères alphanumériques Exemple de l'effet de peigne sur un travelling latéral. L'image du bas, progressive, n'a pas ce défaut 16 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 2. Origine du standard vidéo
• Standard Européen pour la télédiffusion (Entrelacement d’ordre 2 à 50 Hz Nb lignes / image Lignes/cols utiles Durée totale ligne Durée utile ligne 625 575/768 64 µs 52 µs • Standard industriel américains haute résolution 17 (Norme EIA : RS 343 A) : Entrelacement d’ordre 2 à 60 Hz Standard défini pour applications médicales et avioniques (observateurs plus proche de l’écran) Nb lignes / image Nb lignes utiles Durée totale ligne Durée utile ligne 675 729 875 945 1023 624 674 809 874 946 49, 38 45, 72 38, 09 35, 27 32, 58 42, 38 38, 72 31, 09 28, 27 25, 58 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 3. Standards vidéo
Télévision haute définition Désir d'accroitre les dimensions de l'image sans modifier la distance d'observation (gain > 22%) Les travaux commencent en 1968 au Japon Consensus international sur le doublement de la résolution (625 lignes -> 1080 et un format de 16/9 en 1980 Longue attente: Développement nécessaire des techniques et équipements de production Etablissement de la crédibilité du téléviseur HD Incompatibilité avec le parc existant . . Le déblocage: 18 Révolution dans la micro-électronique (grandes matrices de photodétecteurs, écrans TFT, . . . ) Révolution dans les algorithmes de traitement d'image . . Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 3. Standards vidéo
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Progressive vs Interlaced scan? 19 Les normes vidéo modernes de la télévision numérique ont abandonné l'entrelacement au profit de techniques d'affichage par défilement progressif La numérisation de l'image et sa transmission ont été rendues possibles grâce aux progrès de la compression. La compression doit rendre le flux compatible avec le débit de la transmission, sans détériorer l'image de manière visible La TNT reposait initialement sur l'emploi de la norme MPEG 2. Cette norme ne permet pas d'utiliser la haute définition avec la bande passante de la TNT. L'avènement de chaînes en MPEG 4 permet depuis fin 2008 de profiter de la haute définition sur la TNT -Code LES DIFFÉRENTES RÉSOLUTIONS DE L'IMAGE TÉLÉVISÉE Qualité Résolution pixels/image -480 i -480 p -720 p -1080 i -1080 p SDTV EDTV HDTV 720 x 483 1280 x 720 1920 x 1080 236. 544 337. 920 921. 600 2. 073. 600 Entrelacé Progressif Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 3. Standards vidéo
3. Standards vidéo HD Read Le label HD Ready, le plus ancien (19 Janvier 2005), disparaît progressivement. Depuis décembre 2008 les TV doivent obligatoirement intégrer un tuner TNT HD (MPEG 4), ce que le label initiale HD Ready n'obligeait pas. Une TV LCD (ou plasma) est labellisée HD Ready quand elle est : - 16: 9 : Un format visuel en 16: 9 - HDMI : Présence d'une entrée numérique HDMI (High Definition Multimedia Interface) ou DVI (entrée HD) - HDCP : Entrée(s) numérique(s) compatible(s) HDCP (protection des données contre la copie des films Blu-Ray : High Bandwidth Digital Content Protection) - YUV : Présence d'une entrée analogique YUV (CCIR 601), modèle de représentation de la couleur dédié à la vidéo analogique. - 720 lignes : Résolution d'au moins 720 lignes (format HD), soit couramment 1280 x 720 ou 1366 x 768 - 720 p/1080 i: Accepter des flux vidéo en 720 p (progressives) et 1080 i (entrelacées) en 50/60 Hz. 20 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier HD ready, HD TV, True HD, Full HD, HD Ready 1080 p, HD TV 1080 p, …….
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier HD TV 1080 p Défini depuis Septembre 2007 avec le label HD Ready 1080 p, une TV LCD (ou plasma) est nommée HD TV 1080 p quand elle est : - - HD Ready : toutes les contraintes du label HD Ready Avec en plus : - 1080 lignes : Résolution d'au moins 1080 lignes, soit couramment du 1920 x 1080 - 1080 p : Accepte des flux HD 1080 lignes entrelacés et progressifs en 50/60 Hz - 24 Hz : Accepte des flux HD 1080 lignes progressifs en 24 Hz - Tuner HD : Présence d'un tuner HD compatible MPEG 4, pour recevoir les flux vidéo HD (720 p ou 1080 i) 21 • Depuis fin 2008 nous pouvons recevoir des chaînes TNT HD gratuites en MPEG 4. • Le format théorique généralisé en France et en Europe est le 1080 i (mais ce n'est pas une obligation, cela pourra être également en 720 p). Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 3. Standards vidéo
22 1. Photographie de l’histoire de la technologie 2. Concept physique de la détection 3. Flash sur le tube de prise de vue (VIDICON) Correspond à la caméra de télévision traditionnelle à tube 4. Concept cellulaire du capteur d’image à l’état solide Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier IV. Prise d’image
23 Thomson-CSF General Electric (CID) Fairchild RCA 256 x 256 Fairchild 100 x 100 Brevet CCD Philips et Bell Labs 10 x 10 1969 CMOS Mega pixels High perf Thomson-CSF 576 x 768 Sony 576 x 500 1991 1974 1976 Domination des tubes Iconoscope Image-orthicon Vidicon Plumbicons 1985 Foveon (CMOS) 4096 x 4096 2001 MICRON SONY FAIRCHILD etc. . . >= 2008 Domination de l'état solide Qualité des CCD > celle des tubes CMOS Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 1. Histoire de la prise d’image
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 24 Effet photo-électrique : génération d’électrons, lorsqu’un matériau est exposé à un flux lumineux d ’énergie suffisante hc/ > Ec-Ev Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 2. Concept physique de la détection
25 Effet photo-électrique (suite) L'absorption d'un photon permet à un électron de franchir le gap entre bande de valence et bande de conduction Transition possible si l’énergie du photon est supérieure au gap : hc/ > Ec-Ev Ec : niveau d ’énergie minimum de la bande de conduction Ecv : niveau d ’énergie maximum de la bande de valence h : constante de planck c : vitesse de la lumière : longueur d’onde de la lumière incidente Pour le Silicium Ec-Ev = 1. 12 e. V Coupure haute : c<1. 1µm Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 2. Concept physique de la détection
26 • Les tubes de prises de vues: Technologies obsolètes VIDICON (1950) Ampoule de verre servant d'enceinte à vide, contenant: • Une cible constituée par couche photo conductrice (trisulfure d'antimoine ou silicium déposée au dos d'une face de verre ou de quartz) dont la conductivité augment avec l’exposition lumineuse • Un faisceau d'électron utilisé pour lire l'image électrique formée sur la couche photoconductrice Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 3. Flash sur le tube de prise de vue
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Photodiode 27 Photons + Photogate Poly-Si = électrode transparente + + +++ photons Si. O 2 (isolant) poly-Si n+ Si = substrat (Semi-conducteur) § Application d’un potentiel sur l’électrode semi-transparent Création d’un puits de potentiel Traversée de l’électrode par les photons et génération de paires électrons-trous dans le substrat (effet photo-électrique) Electrons piégés dans le puits de potentiel §CCD transfert de trame §Actives Pixels Sensor + - Si - p zone de charge d'espace § Jonction polarisée en inverse • Une zone de charge d'espace se développe autour de la jonction • Un champ électrique réalise la séparation des porteurs Si la couche N suffisamment fine en surface, les photodiodes ont une meilleures sensibilité dans le bleu que les photo. Mos et conviennent mieux applications couleur § CCD interlignes §Actives Pixels Sensor Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 4. Concept cellulaire du capteur
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 28 E Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 2. Intégration (ex: photogate)
29 Capteur d’image : Matrice constituée de plusieurs centaines de milliers de récepteurs photo-sensibles (photodiode ou photogate), appelés pixels (Picture Element) Les sorties électrique des récepteurs sont multiplexées pour former un signal vidéo La résolution de l'image est liée au nombre de photosites: de 350 000 pour une résolution VGA de 640 x 480 à 3. 3 megapixels pour 2048 x 1536 , voire plus. CCD Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 4. Concept cellulaire du capteur
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 30 1. Introduction 2. Intégration 3. Transfert 4. Multiplexage Matriciel 5. Architectures 6. Étage de Sortie 7. Pour aller un peu plus loin 8. Mode d’entrelacement 9. Artéfacts Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales IV. Fonctionnement des CCD
31 CCD = Charge Coupled Device (DTC : Dispositif à Transfert de Charges) Deux étapes dans la capture d’images: INTEGRATION Absorption des photons incidents pendant une durée donnée, et génération de paires d’électrons-trous Accumulation des électrons (ou trous) dans un « puits de potentiel » LECTURE Transfert des charges de chaque pixel de proche en proche CCD Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 1. Introduction
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 32 V 1 V 3 Fermeture du puits de potentiel sous V 2 V 3 V 1 Ouverture du puits de potentiel sous V 3 Amorce du transfert des charges électriques V 3 Transfert de charges terminé V 2 V 1 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 3. Principe du Transfert V
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 33 Registres à décalage HORLOGES Ligne à retard E Démultiplexeur (Registres à décalage de lecture CCD) S HORLOGE E t S 1 E 1 S 2 E 2 Sn HORLOGE S Multiplexeur En Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 3. Transfert
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier N registres verticaux et 1 registre horizontal = matrice CCD 34 Acquisition image Lecture Matrice CCD R O U G E J A U N E R O U G E M A U V E J A U N E M A U V E Chargement dernière ligne dans Registre horizontal A chaque cycle d’horloge verticale (Fv): Transfert de l’ensemble des charges d’une ligne vers la ligne suivante Transfert des charges de la dernière ligne de la matrice vers le REGISTRE HORIZONTAL Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 4. Multiplexage matriciel
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Registre horizontal 35 R O U G E J A U N E M A U V E M Etage de sortie A Sortie dernière ligne par Registre horizontal A chaque cycle d’horloge horizontale(Fh Fv x Nb lignes) : Transfert des charges dans le registre horizontal À la sortie du registre, transfert des charges vers l’ETAGE DE SORTIE puis conversion du nombre d’électrons en tension électrique Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 4. Multiplexage matriciel
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Deux zones distinctes: 36 La ZONE SENSIBLE Lieu de conversion photon-électrons et d’intégration temporelle des charges La ZONE MEMOIRE / de TRANFERT Lieu de transfert et stockage des charges en vue de leur « lecture » par l’étage de sortie Choix d’architecture de CCD tributaire de l’application : Mode entrelacé ou non Photo Vidéo Avec ou sans contrôle de la durée d’intégration Rapidité de lecture Résolution Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 5. Architectures
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 37 3 grandes architectures : CCD Pleine trame (Full Frame CCD) CCD Transfert de trame (Frame Transfer CCD) CCD Transfert interligne (Interline Transfer CCD) Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 5. Architectures
38 CCD Pleine trame: Pas de zone mémoire INTEGRATION Registre de sortie 1/ Transfert d’une ligne complète vers le registre horizontal (RH) Lecture via cellules photosensibles (Full Frame CCD: FF) 2/ Décalage dans le RH vers l’étage de sortie Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales e ib l se ns o- p ho t ne Zo ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 3. Architectures
39 CCD Pleine trame (suite) Zone sensible zone de transfert Utilisable uniquement en mode « PHOTO » (une seule acquisition) Avantages : Grande taille de surface sensible Temps d’intégration élevé mais modulable Sensibilité et dynamique élevées Inconvénients : Temps d’intégration nécessairement long ou utilisation d’un obturateur mécanique Cadence vidéo impossible Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 3. Architectures
INTEGRATION puis transfert rapide en zone mémoire (Frame Transfer CCD: FT) 1/ Transfert rapide de la 2/ Intégration suivante Zone sensible INTEGRATION RH 40 zone sensible vers la zone mémoire aveugle + lecture de la zone mémoire Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales CCD Transfert de trame: Zone mémoire avant lecture Zone mémoire ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 3. Architectures
41 CCD Transfert interligne: Zone mémoire associé à chaque pixel (Interline Transfer CCD: IT) INTEGRATION puis LECTURE rapide 1/ Transfert rapide de la zone sensible vers la zone mémoire INTEGRATION Zone mémoire Zone sensible 2/ Intégration suivante + lecture de la zone mémoire Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 3. Architectures
42 CCD à Transfert (de trame, interligne ou transfert interligne de trame) Zone sensible et zone mémoire aveugle séparées Intégration et lecture simultanés POSSIBLE Utilisable en mode vidéo Avantages : Obturation mécanique NON nécessaire Cadence élevée possible Inconvénients : CCD à transfert de trame : doublement de la taille du capteur à définition égale CCD à transfert interligne : perte en surface de zone sensible Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 3. Architectures
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 43 Éclairage Face Arrière (= Backside Illuminated) Front Side Illuminated Exemple : Fairchild CCD 486 Back Side Illuminated Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 5. Architectures
Vref CL 1 - Fermeture de Q 1 (Reset) : Précharge de la diode flottante CL Vref 2 - Ouverture de Q 1 : Potentiel de la diode flottante diminue et « flotte » 3 - Fermeture de la porte de transfert « f. G » : Transfert des charges vers la diode flottante « CL » : Potentiel de la diode diminue d’une quantité V équivalente à la charge Q 4 - Lecture de ce potentiel par un ampli de tension suiveur 44 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 6. Étage de sortie
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 45 Double échantillonnage corrélé: suppression du bruit associé à l’initialisation de la diode flottante L 2 R 1 er Ech 2 eme Ech Reset Diode Flottante Signal Utile: (2 eme Ech - 1 er Ech) Durée d’un pixel Vout Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 6. Étage de sortie
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 46 Colonnes masquées pour la génération d’une référence par ligne Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 7. Pour aller un peu plus loin
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 47 Architecture (TEXAS, E 2 V) • Transfert de trame • Interligne-transfert de trame • Multiplication par avalanche en sortie (G 1. 02/étage) • 400 (G~2800) à 700 (G~106) étages de multiplication Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 7. Pour aller un peu plus loin : EMCCD
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 48 L’optimum dépend du bruit du capteur CCD/CMOS Les progrés des capteurs permettent de le diminuer Selon ANDOR ! Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 7. Pour aller un peu plus loin : Comparaison de technologies
49 Deux modes de lecture: Mode progressif: Lignes de pixels lues séquentiellement Développé pour des applications scientifiques, indépendantes des standards vidéo Mode entrelacé Lecture alternée des lignes paires et impaires Compatibilité standards TV Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 8. Modes d’entrelacement
50 CCD destinés à la vidéo / TV 2 contraintes : Entrelacement de 2 trames pour former une image Fonctionnement à 50 Hz (ou 60 Hz) : 1 image complète toutes les 2 x 20 ms (resp. 17 ms) 2 modes d’entrelacement possibles : Mode entrelacé Mode pseudo-entrelacé Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 8. Modes d’entrelacement
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 51 Mode Entrelacé Trame A : lignes paires Trame B : lignes impaires Trame A Trame B L 1 L 2 L 3 L 4 L 5 Peu de CCD permettent ce type de fonctionnement Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 8. Modes d’entrelacement
Trame A Mode Pseudo-entrelacé L 1 Trame A : somme de 2 lignes adjacentes, départ sur L 1 : (L 1 + L 2), (L 3+L 4), … Trame B : somme de 2 lignes adjacentes, départ sur L 2 : (L 2 + L 3), (L 4+L 5), … L 2 L 3 + L 4 L 5 Trame B L 1 L 2 + L 3 L 4 L 5 Perte de résolution verticale 52 L 1 + L 2 L 4 + L 5 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 8. Modes d’entrelacement
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 53 Artéfacts dans l’image : Pollution pixel à pixel (Cross-talk) Eblouissement (Blooming) Pollution de transfert (Smearing) Mauvaise efficacité de transfert Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 9. Artéfacts dans l’image CCD
54 Diffusion des charges, créées en profondeur, vers les pixels voisins perte de netteté Profondeur de pénétration des photons dépendante de la longueur d’onde : Pénétration des photons « bleus » sur quelques nanomètres Pénétration des photons « rouges » sur quelques micromètres Photons 2 1 e- Pas de crosstalk e. Pixel A Crosstalk Pixel B 2 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Pollution pixel à pixel (Cross-talk) Profondeur d’absorption (nm) ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 9. Artéfacts dans l’image CCD
55 Eblouissement (Blooming) Débordement d’un pixel sur ces voisins lorsque l’éclairement est supérieur à l’éclairement de saturation Débordement généralement préférentiel dans le sens des colonnes L’étendue de la zone parasite augmente avec le sur-éclairement Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 9. Artéfacts dans l’image CCD
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Drain anti-éblouissement (Lateral Overflow Drain ou Anti-blooming) 56 Système d’évacuation des charges en excès Drain latéral Placé verticalement le long des registres verticaux Avantage : Très efficace (pas d’éblouissement jusqu’à Q = 1000 x Qsat) Inconvénient : Perte en zone sensible Perte en résolution § Drain enterré (le plus utilisé !) Couche enterrée disposée sous les photosites Avantage : dimension de la zone sensible conservée Inconvénient : modification de la courbe de sensibilité spectrale du CCD (perte de sensibilité dans le PIR) ( Mais solution adaptée à la couleur : La sensibilité dans le PIR fausse les couleurs) Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 9. Artéfacts dans l’image CCD
57 Pollution de transfert (Smearing) Pollution lors du transfert des charges issues d’un pixel plus fortement éclairé que ses voisins Origines : Intégration pendant la lecture Dans les CCD pleine trame ou CCD à transfert de trame Pollution liée à l’illumination des pixels pendant le transfert vertical Solutions : Utilisation d’un obturateur mécanique Choix d’un temps d’intégration >> temps de transfert Utilisation de CCD à transfert interligne Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 9. Artéfacts dans l’image CCD
58 ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 1. Architecture 2. Les micro-lentilles Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales IV. Fonctionnement des CMOS (APS)
59 Objectif des CMOS APS Petit volume Consommation réduite (Senseur + électronique de gestion) Système d’imagerie fortement intégré ADC Compatibilité TTL Nouvelles fonctions de gestion du plan focal fenêtrage adressage aléatoire obturateur électronique Suppression d ’artéfacts: Smear, blooming Nouvelles capacités de détection Réponse logarithmique, Imagerie rapide (1000 Hz), …. . . Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 1. Architecture
60 CMOS ( Complementary Metal-Oxide Semiconductor ) CMOS ou APS (Active Pixel Sensor) Au sein de chaque pixel : Zone sensible Conversion charge / tension Amplificateur suiveur Zone de traitement Fonctions complexes Intégrables au composant : Zone sensible Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 1. Architecture
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Deux architectures concurrentes 61 APS Photodiode APS Photogate: • Charges localisées sous grille semi-transparente en polysilicium • Fonctionnement faible bruit pour bas niveau d ’éclairement Efficacité quantique: Conversion V/e-: Réduction de bruit (CDS): • Design économique • Application consumer PG < PG >> PG possible, 50% PD PD PD non Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 1. Architecture
Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Rolling Shutter 62 [Image tossthecam (cameratoss. blogspot. com)]
63 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Global Reset
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 64 – – Intégration signal Conversion charge/tension Bruit important : k. TC FF faible pour les petits pixels • Couches de métaux • µ-lentilles Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 1. Architecture : CMOS avec pixel 3 -T
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 65 TX n+ p+ n+ Charges stockées en volume Permet de faire du CDS : Diminution forte du bruit k. TC : 3 e Réduction du FPN Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 1. Architecture : pixel 4 -T : « pinned photodiodes »
66 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier pixel 4 T + antiblooming = pixel 5 T
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 67 Micro-lentilles: Augmentation du taux de remplissage Permet la récupération de la surface optique de l’électronique associée Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 2. Les Micro-lentilles
68 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Synthèse : Capteurs d’image
69 ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 1. Complexité électronique de gestion / miniaturisation / consommation 2. Surfaces sensibles / artéfacts image 3. Pixels défectueux / bruits 4. Synthèse comparative Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales IV. Comparaison des technologies CCD et CMOS (APS)
70 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Comparaison CCD - CMOS
71 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Comparaison CCD - CMOS
72 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Architecture Camera CMOS
73 Complexité de l’électronique CCD: Electronique de pilotage du CCD + complexe (horloges multiples, …) Adressage séquentiel des pixels Lecture obligatoire de toute la matrice Complexité de lecture (horloges) Cadence de lecture limitée par l’inefficacité de transfert de charges entre cellules CMOS : Grande capacités d’intégration de composants sur pixels Possibilité d’adressage aléatoire et direct des pixels Possibilité de fenêtrage sur zone d’intérêt Temps de lecture courts: possibilité de cadence horloge élevée Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Comparaison des technologies CMOS et CCD
74 Miniaturisation caméra CMOS: Intégration de fonctions multiples sur chaque pixel Intégration possible dans un seul boîtier de l’ensemble des fonctions d’une caméra Consommation CMOS : Faible consommation globale (+ électronique) Avantage pour appareils portable à petite réserve d’énergie (batteries) CCD : plus grande consommation globale (Pilotage de grandes capacités avec contrôle précis des temps de transition) Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Comparaison des technologies CMOS et CCD
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 75 Artéfacts sur l’image CCD : Risque de débordement d’un pixel sur ses voisins (smearing, blooming, … ) CMOS : Meilleure résistance à l’éblouissement Pas de smearing (obturateur électronique) Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Comparaison des technologies CMOS et CCD
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Impact des pixels défectueux 76 CCD : 1 pixel mort une colonne de l’image morte CMOS : 1 pixel mort un point de l’image mort Bruits Faible courant d’obscurité dans les CCD Bruit spatial élevé dans les CMOS : (un convertisseur par pixel) FPN (Fixed Pattern Noise) : dispersion de niveau en obscurité PRNU (Photo-Response-Non-Uniformity) : dispersion de réponse Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Comparaison des technologies CMOS et CCD
77 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Synthèse de Performances
78 ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 1. Filtres de type Bayer 2. Concept Foveon 3. Caméras tri-capteurs Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales V. La couleur
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 79 Filtrage optique sur chaque pixel: • Poids double du vert: sensibilité maximale de l’œil • Résolution spatiale déterminée par la composante de luminance et non par la chrominance Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 1. Filtage de BAYER: séparation des couleurs
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 80 Pixels blancs (pour amélioration de la sensibilité)-bleu-vert-rouge Ou vert-bleu-rouge ISSCC’ 08 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales High sensitivity BW with Color information
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 81 Inconvénients du filtre de Bayer: 1. Perte de FTM 2. Perte de sensibilité 3. Dématriçage (calcul couleurs manquantes) 4. Aliasing coloré 5. …. . Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Artéfacts
82 Filtrage par sélection de profondeur d’absorption (FOVEON X 3) Avantages; • Réduction de la taille des cellules • Amélioration de la résolution • Technologie « bas coût » (absence de filtres optiques colorés) • Plus de calculs d’interpolation de couleurs (gain de rapidité) Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 2. FOVEON: séparation des couleurs
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 83 Utilisation de trois capteurs dédiés Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales 3. Tri-capteur: séparation des couleurs
84 Ce système est constitué de 3 capteurs CCD ou CMOS pour chacune des couleurs primaires RVB : rouge vert bleu. Ce type de caméra est considéré comme la "rolls" des caméras couleurs et se retrouve surtout dans le monde professionnel de la production vidéo. Le fait de séparer à l’aide d’un système de prismes et de filtres les trois composantes permet une amélioration de la qualité de l’image et supprime les interférences. Les rayons pénétrant dans les prismes séparateurs traversent le premier prisme et sont filtrés à sa sortie par le miroir dichroïque bleu. Celui-ci va réfléchir seulement les rayons bleus et laisser passer les autres. Les rayons bleus vont alors être réfléchis par un miroir semi-transparent vers le capteur CCD bleu. Il en va de même dans le deuxième prisme pour les rayons rouges. Ne restent plus que les rayons verts qui traversent les trois prismes sans être perturbés. Comparaison d’un filtrage de Bayer(b) et d’une caméra triccd(a) Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 3. Solution Tri-Capteur
85 ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 1. Propriétés de la vision de nuit 2. Architectures des I. L. 3. Caractéristiques des I. L. 4. Association avec un CCD / CMOS Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales VI. Introduction aux Intensificateurs de Lumière (I. L. )
86 Propriétés de l’œil Accommodation de l’œil De 130 000 Lux (journée d’été ensoleillée) À 1 lux (pleine lune) Niveaux minimum requis Pour ce déplacer : Pour lire ou écrire : Pour un travail de bureau : Pour des tâches difficiles : 1 - 5 Lux 150 Lux 200 Lux 800 Lux Utilisation d’un système de vision de nuit de sensibilité typique max = 1 à quelques Lux min = 0. 001 à 0. 0001 Lux Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Propriétés de la vision de nuit
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 87 Niveaux d’éclairement au sol typiques : Rappel : le « lux » est une unité de mesure de l’éclairement pondéré par la courbe de sensibilité de l’œil. Utilisable seulement pour la bande du VISIBLE Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Niveaux d’éclairement
Structure générale I. L de 1ère génération Ecran phosphorescent Photocathode + 10 à 15 k. V Objectif Scène de nuit Photons 88 Tube Intensificateur Oculaire Faisceau d’électrons Un objectif : collecte le flux sur la photocathode Un intensificateur d’image : Une surface photo-sensible (Photocathode) : transforme les photons en électrons Un tube intensificateur : accroît l’énergie ou multiplie les électrons Un écran de visualisation : transforme les électrons en photons Un oculaire : adapte l’image à la vision par l’oeil Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Architecture des I. L.
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 89 Réponse spectrale des Photocathodes Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Caractéristiques des I. L.
Ecran, réponse des phosphores 90 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Caractéristiques des I. L.
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 91 I. L de 1ère génération (suite) Possibilité de réaliser une cascade de plusieurs tubes Possibilité d’introduire des réseaux de fibres en entrée et en sortie amélioration du rendement de couplage Fibres optiques Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Architecture des I. L.
92 I. L de 2ème génération Introduction d’une galette de micro-canaux (MCP : Micro Channel Plate) Placée entre la photocathode et l’écran Constituée de tubes minces (< 10µm de diamètre) Réalisée dans un verre à forte émission secondaire Multiplication en cascade des électrons Galette de micro-canaux Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Architecture des I. L.
I. L de 2ème génération (suite) MCP : Gain en électron >> 106 entre l’entrée et la sortie du MCP Tension d’alimentation élevée, mais faible consommation Possibilité de contrôler le gain en fonction du niveau d’éclairement (en jouant sur la tension MCP) Diminution de l’encombrement de l’intensificateur Grandissement >1 93 Grandissement =1 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Architecture des I. L.
94 I. L de 3ème génération Utilisation d’une photocathode en As. Ga beaucoup plus sensible I. L. de 4ème génération Utilisation de photocathode à transfert d’électrons ? , sensibles dans le domaine Infra-rouge : 1 à 1. 7µm Sortie numérique? Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Architecture des I. L.
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 95 Prise d’image avec un CCD I-CCD : Association d’un I. L. et d’un CCD I. L. de 1ère génération + CCD I. L. de 2ème génération + CCD Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Numérisation: Association avec un CCD
96 Prise d’image avec un CCD ou CMOS EB-CCD / EB-CMOS (Electron Bombardment –CCD/CMOS) Photocathode + CCD/CMOS Forte tension appliquée Pas d’écran : les charges sont générées dans le silicium par bombardement électronique Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Numérisation: Association avec un CCD
Rapport signal sur bruit (sans dimension) Défini sur un éclairement Eclairement équivalent au bruit Capacité au comptage de photons Résolution FTM Sensibilité de la photocathode µA / lm ou m. A / W Efficacité quantique vs longueur d’onde Qualité image Gain Luminance écran Durée de vie 97 Paire de lignes par mm (lp/mm) avec atténuation d’amplitude MTTF (Mean Time To Failure) en heures Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Performances globales du tube
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier PHOTONIS Technical specifications XD-4 technology image intensifiers 98 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Caractéristiques des I. L.
99 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Partage du marché
100 ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Annexe
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 101 Grandissement : Rapport des dimensions de l’image sur l’écran de sortie et l’image en entrée de la photocathode Grandissement 1 Grandissement de 1 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Caractéristiques des I. L.
102 Distorsion : Ecart de la valeur du grandissement en périphérique (GP) et au centre de l’écran (Gc) D = 100 (GP – GC) / GC Grande essentiellement dans les I. L. de 1ère génération Gain en luminance : Rapport entre la luminance de l’écran de sortie et de l’éclairement de la photocathode Exprimé en (Cd/m²)/Lux GL= LECRAN / EPHOTOCATHODE Résolution : Exprimée en paire de ligne par millimètre (pl/mm) Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Caractéristiques des I. L.
103 Sources de bruit Dans les I. L. de 1ère génération : Bruit essentiellement photonique RSB = (η. Nphot)1/2 avec : η = rendement quantique Nphot = Nombre de photons incidents Dans les I. L. de 2ème et 3ème génération : Bruit photonique Galette de micro-canaux : multiplication du bruit par un facteur 3 constant quelque soit le gain Signal équivalent au bruit (EBI : Equivalent Background Illumination) Courant d’obscurité de la photocathode exprimé en éclairement équivalent Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Caractéristiques des I. L.
104 Intensité d'une source Flux lumineux angulaire (lumen) Éclairement (lux) Luminance Candela 1 lumen = 1 candela / stéradian 1 lux = 1 lumen / m² Candela / m² Une candela est l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 tera hertz (λ = 555 nm, vert) et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian. Une candela (cd) est l'unité d'intensité lumineuse du Système international. Le lumen (lm) est l'unité de flux lumineux correspondant au flux émis par une source ponctuelle uniforme d'une intensité de 1 candela située au sommet de l'angle solide de 1 stéradian. Le lux est l’éclairement d'une surface qui reçoit, d'une manière uniformément répartie, un flux lumineux de 1 lumen par mètre carré. C’est de la lumière reçue. Le lux (lx) est l'unité d'éclairement. (1 lux = 1 lumen/m²). Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Les jeux d’unités
105 Longueur d'onde Sensibilité relative 380 0, 00004 580 0, 87 390 0, 00012 590 0, 757 400 0, 0004 600 0, 61 410 0, 0012 610 0, 503 420 0, 004 620 0, 381 430 0, 0116 630 0, 265 440 0, 023 640 0, 175 450 0, 038 650 0, 107 460 0, 06 660 0, 061 470 0, 091 670 0, 032 480 0, 139 680 0, 017 490 0, 208 690 0, 0082 500 0, 323 700 0, 0041 510 0, 503 710 0, 0021 520 0, 71 720 0, 00105 530 0, 862 730 0, 00052 540 0, 954 740 0, 00025 550 0, 995 750 0, 00012 560 0, 995 760 0, 00006 570 0, 952 770 0, 00003 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Sensibilité de l’oeil
106 Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Sensibilité de l’oeil
107 • Energie du photon: • Loi de Planck: Emittance spectrale • Nombre moyen de photons reçu d’un corps noir • Nombre moyen de photo-électrons généré h: constante de Planck, K: constante de Boltzmann, c: vitesse de la lumière, Ti: durée intégration, Ad surface pixel, ( ): efficacité quantique spectrale, T: température absolue du corps noir Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Photométrie
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 108 • Calculer l’efficacité quantique effective • Calculer la longueur d’onde effective • Calculer le coefficient de conversion en Lux • Mesurer l’irradiance avec un photomètre • Calculer l’irradiance effective Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Mesure avec une lampe incandescente
109 Mesure par photomètre de l’irradiance effective: Distribution spectrale de l’irradiance: Nombre de photons incidents: En obscurité Nph=0: Bruit associé Evolutions du signal de sortie et du bruit sous éclairement Détermination du gain de conversion Efficacité quantique effective Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier Efficacité quantique effective
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 110 Pour un senseur donné: Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Longueur d’onde effective
ESE 22: Formation, “Capture et restitution d’images” (avril 2009) MF Audier 111 Irradiance photométrique (Lux): avec: et, , la distribution spectrale de sensibilité de l’œil Assumant une distribution spectrale Proportionnelle à celle du corps noir: D’oû le coefficient de conversion Les informations contenues dans ce document sont la propriété exclusive du Groupe Thales. Elles ne doivent pas être divulguées sans l'accord écrit de Thales Coefficient de conversion en LUX