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Systèmes d’imagerie
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Sommaire
Première partieI. Propriétés de l’œil humainII. Les standards de télévisionIII. Prise et restitution d’image IV. Fonctionnement des CCD
Seconde partieIV. Fonctionnement des CMOS (APS)V. La couleurVI. Intensificateurs de Lumière (I.L.) VII. Memo de photométrie
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I. Œil humain
1. Physiologie
2. Sensibilité
3. Résolution
4. Synthèse
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I. Œil humain
1. Physiologie
2. Sensibilité
3. Résolution
4. Synthèse
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1. Propriétés de l’œil humain
Cellules visuelles : Cônes (x 6 à 7 M):
vision coloréemais seulement par fort éclairement
Batônnets (x100M): vision achromatique
même par faible éclairement
Rétine
Adaptation à l’éclairement :
Contraction / dilatation de l’iris Modification du diamètre de la
pupille
Physiologie
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L (
)
1. Propriétés de l’œil humain
Vision de jour (grâce aux cônes) : courbe photopiqueMax à = 0.56µm (vert - jaune)
Vision de nuit (grâce aux bâtonnets) : courbe scotopiqueMax à = 0.51µm (bleu - vert)
Sensibilité
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1. Propriétés de l’œil humain
Résolution Pouvoir de résolution moyen: env.1min d’arc
Vision exprimée en 10ième: 1/résolution:10/ 10ième 1’ d’arc14/ 10ième 0.7’ d’arc
Champ de visibilité à bonne résolution < 2° (120min d’arc)
Test d’acuité visuelle
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II. Prise et restitution d’image
1. Chaîne image
2. Origine du standard vidéo
3. Divers standards vidéo et TVHD
4. Histoire de la prise d’image
5. Concept capteurs
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1. Chaîne image
OptiqueCollectrice de flux
DétecteurAbsorbe 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
Détecteur Unités de Traitement
Système optiqueScène
MoniteurMoniteurSéparation
etExtraction Synchro
Vidéocomposite
Vidéo
Synchro
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2. Origine du standard vidéo
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Format image = 4/3
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 jusqu'aujourd'hui!)
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2. Origine du standard vidéo
Vision confortable si la distance d’observation D :D = 4x Hauteur de l’image observée dimension angulaire totale de l’image (arctg(1/4)= 14° (840 ’ d ’arc)
IMAGE TV
H
D = 4 H
Angle de vision à bonne résolution < 2° (120 ’ d ’arc)
Résolution angulaire 1’ d’arc (1/60°)
Oeil
rétinefovéa
Caractéristique typique de la vision
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2. Origine du standard vidéo
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
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2. Origine du standard vidéo
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-multipleChoix 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
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2. Origine du standard vidéo
Phénomène de papillotement (suite)
20
30
40
50
60
70
Hz
0,1 1 10 100 1000 Cd/m²
Luminance de l’image(Cd/m2)
Courbes valables pour un champ de vue étroit, et une rémanence d’écran du type TV couleur à TRC
Le papillotement est visible
Le papillotement n ’est pas visible
Fréq
uenc
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ent (
Hz)
Vision confortable pour une luminance 100 Cd/m2Fréquence de rafraîchissement minimale = 50Hz
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2. Origine du standard vidéo
BANDE PASSANTE Restriction de la bande passante allouée par le
CCIR* pour la transmission TV à 6MHz contre les env. 12MHz nécessaires
(Nb lignes x Nb colonnes x fréquence trame)
Conséquence :Fréquence image de 50Hz 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)
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2. Origine du standard vidéo
ENTRELACEMENT de deux trames
Trame paire(Odd field)Trame impaire(Even field)
Fin trame paire
Début trame paire
Image (Frame)
Début trame impaire
Fin trame impaireFin trame paire
Début trame paire
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2. Origine du standard vidéo
ENTRELACEMENT Avantages :
Bien adapté aux TRC, grâce à la rémanence du tubeEffacement 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
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3. Standards vidéo
• Standard Européen pour la télédiffusion (Entrelacement d’ordre 2 à 50Hz
Nb lignes / image Nb lignes utiles Durée totale ligne Durée utile ligne
6757298759451023
624674809874946
49,3845,7238,0935,2732,58
42,3838,7231,0928,2725,58
Nb lignes / image Lignes/cols utiles Durée totale ligne Durée utile ligne625 575/768 64 µs 52 µs
• Standard industriel américains haute résolution (Norme EIA : RS 343A) : Entrelacement d’ordre 2 à 60Hz
Standard défini pour applications médicales et avioniques (observateurs plus proche de l’écran)
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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: Révolution dans la micro-électronique (grandes matrices de photo-
détecteurs, écrans TFT, ...) Révolution dans les algorithmes de traitement d'image ....
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3. Standards vidéoProgressive vs Interlaced scan?
Les normes vidéo modernes de la télévision numérique ont abandonné l'entrelacement au profit de techniques d'affichage par défilement progressifLa 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 visibleLa TNT reposait initialement sur l'emploi de la norme MPEG2. Cette norme ne permet pas d'utiliser la haute définition avec la bande passante de la TNT. L'avènement de chaînes en MPEG4 permet depuis fin 2008 de profiter de la haute définition sur la TNT
LES DIFFÉRENTES RÉSOLUTIONS DE L'IMAGE TÉLÉVISÉE- Code Qualité Résolution pixels/image- 480i SDTV 720x483 236.544 Entrelacé- 480p EDTV 720x483 337.920 Progressif- 720p HDTV 1280x720 921.600 Progressif- 1080i HDTV 1920x1080 2.073.600 Entrelacé- 1080p HDTV 1920x1080 2.073.600 Progressif
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3. Standards vidéoHD ready, HD TV, True HD, Full HD, HD Ready 1080p, HD TV 1080p, …….
HD ReadLe label HD Ready, le plus ancien (19 Janvier 2005), disparaît progressivement. Depuis décembre 2008 les TV doivent obligatoirement intégrer un tuner TNT HD (MPEG4), 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
1280x720 ou 1366x768- 720p/1080i:Accepter des flux vidéo en 720p (progressives) et 1080i
(entrelacées) en 50/60 Hz.
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3. Standards vidéo HD TV 1080p
Défini depuis Septembre 2007 avec le label HD Ready 1080p, une TV LCD (ou plasma) est nommée HD TV 1080p 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
1920x1080- 1080p : 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 MPEG4, pour recevoir les flux vidéo HD (720p ou 1080i)
• Depuis fin 2008 nous pouvons recevoir des chaînes TNT HD gratuites en MPEG4.
• Le format théorique généralisé en France et en Europe est le 1080i (mais ce n'est pas une obligation, cela pourra être également en 720p).
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IV. Prise d’image
1. Photographie de l’histoire de la technologie2. Concept physique de la détection3. 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
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s
Domination des tubes
1969
Brevet CCDPhilips et Bell Labs
10x10
1974
Fairchild 100x100
1976
Thomson-CSFGeneral Electric (CID)
FairchildRCA
256x256Sony
576x500
1991
Thomson-CSF 576x768
2001
Foveon (CMOS)4096x4096
>= 2008
CMOSMega pixels
High perf
MICRONSONY
FAIRCHILDetc...
1985
1. Histoire de la prise d’image
CMOS
Qualité des CCD > celle des tubesIconoscopeImage-orthiconVidiconPlumbicons
Domination de l'état solide
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2. Concept physique de la détectionEffet photo-électrique : génération d’électrons, lorsqu’un matériau est
exposé à un flux lumineux d ’énergie suffisante
hc/ > Ec-Ev
Ec
Ev
Bande de conduction(électrons libres)
Bande de valence(électrons liés)
Photon (hc/)
e-
Atome
GapEc
Ev
Bande de conduction(électrons libres)
Bande de valence(électrons liés)
Photon (hc/)
e-
Atome
GapEc
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Bande de conduction(électrons libres)
Bande de valence(électrons liés)
Photon (hc/)
e-
Atome
GapEc
Ev
Bande de conduction(électrons libres)
Bande de valence(électrons liés)
Photon (hc/)
e-
Atome
Ec
Ev
Bande de conduction(électrons libres)
Bande de valence(électrons liés)
Photon (hc/)
e-
Atome
Gap
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2. Concept physique de la détection
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 = 1.12eV Coupure haute : c<1.1µm
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3. Flash sur le tube de prise de vue
VIDICON (1950)
• Les tubes de prises de vues:Technologies obsolètes
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
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4. Concept cellulaire du capteur Photodiode Photogate
Photons
Si = substrat (Semi-conducteur)
SiO2 (isolant)
Poly-Si = électrode transparente
+ + + + + +
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 potentielCCD transfert de trame
Actives Pixels Sensor
+ -n+
Si - p
zone de charge d'espace
photons
poly-Si
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 photoMos et conviennent mieux aux applications couleur
CCD interlignes Actives Pixels Sensor
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2. Intégration (ex: photogate)
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4. Concept cellulaire du capteur
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
CCD
La résolution de l'image est liée au nombre de photosites:
de 350 000 pour une résolution VGA de 640x480
à 3.3 megapixels pour 2048x1536 , voire plus.
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s
IV. Fonctionnement des CCD
1. Introduction2. Intégration3. Transfert4. Multiplexage Matriciel5. Architectures6. Étage de Sortie7. Pour aller un peu plus loin8. Mode d’entrelacement9. Artéfacts
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sCCD = 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-trousAccumulation des électrons (ou trous) dans un « puits de potentiel » LECTURE Transfert des charges de chaque pixel de proche en proche
CCD
1. Introduction
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s
3. Principe du TransfertV
V1 V3
V2
V2 V3
V3
V2
V1
V1
Fermeture du puits de potentiel sous V2
Ouverture du puits de potentiel sous V3
Amorce du transfert des charges électriques
Transfert de charges terminé
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s
HORLOGES
E S
E
S1 S2 Sn
HORLOGE
E1 E2 En
HORLOGE
S
Registres à décalage Ligne à retard
Démultiplexeur
Multiplexeur(Registres à décalage de lecture CCD)
3. Transfert
t
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sN registres verticaux et 1 registre horizontal = matrice CCD
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
Matrice CCD
Chargement dernière ligne dans Registre horizontal
EVUAM
ENUAJ
EGUOR
EVUAM
ENUAJ
EGUOR
4. Multiplexage matriciel
Acquisition image Lecture
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sRegistre horizontal
M
ENUAJ
EGUOR
A
Etage de sortie
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
4. Multiplexage matriciel
Sortie dernière ligne par Registre horizontal
VUAM
ENUAJ
EGUOR
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5. ArchitecturesDeux zones distinctes: La ZONE SENSIBLE
Lieu de conversion photon-électrons et d’intégration temporelle des charges
La ZONE MEMOIRE / de TRANFERTLieu 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 :
Photo Vidéo
Mode entrelacé ou non Avec ou sans contrôle de la
durée d’intégration Rapidité de lecture Résolution
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5. Architectures
3 grandes architectures : CCD Pleine trame
(Full Frame CCD)
CCD Transfert de trame(Frame Transfer CCD)
CCD Transfert interligne(Interline Transfer CCD)
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3. Architectures
CCD Pleine trame: Pas de zone mémoire (Full Frame CCD: FF)
INTEGRATION
Lecture via cellules photosensibles
1/ Transfert d’une ligne complète vers le registre horizontal (RH)
2/ Décalage dans le RH vers l’étage de sortie
Zone
photo
-sens
ible
Registre de sortie
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3. ArchitecturesCCD 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
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3. Architectures
CCD Transfert de trame: Zone mémoire avant lecture
(Frame Transfer CCD: FT)
INTEGRATION
Zone
sen
sibl
eZo
ne m
émoi
reINTEGRATION puis transfert rapide en zone mémoire
1/ Transfert rapide de la zone sensible vers la
zone mémoire aveugle
2/ Intégration suivante + lecture de la zone
mémoire
RH
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3. Architectures
CCD Transfert interligne: Zone mémoire associé à chaque pixel(Interline Transfer CCD: IT)
INTEGRATION
INTEGRATION puis LECTURE rapide
1/ Transfert rapide de la zone sensible vers
la zone mémoire
2/ Intégration suivante + lecture
de la zone mémoire
Zone sensible
Zone mémoire
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3. ArchitecturesCCD 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
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5. Architectures
Front Side Illuminated Back Side Illuminated
Éclairage Face Arrière (= Backside Illuminated)
Exemple : Fairchild CCD486
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6. Étage de sortie
1- Fermeture de Q1 (Reset) : Précharge de la diode flottante CL Vref
2- Ouverture de Q1 :Potentiel de la diode flottante diminue et « flotte »
3- Fermeture de la porte de transfert « fG »: 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
Vref
CL
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crit
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hale
s
L2
R
Vout
Reset Diode Flottante
Signal Utile:(2eme Ech - 1er Ech)
1er Ech
2eme Ech
Durée d’un pixel
6. Étage de sortieDouble échantillonnage corrélé:
suppression du bruit associé à l’initialisation de la diode flottante
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7. Pour aller un peu plus loin
Colonnes masquées pour la générationd’une référence par ligne
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s
Architecture (TEXAS, E2V)• Transfert de trame• Interligne-transfert de trame• Multiplication par avalanche en sortie (G1.02/étage)• 400 (G~2800) à 700 (G~106) étages de multiplication
7. Pour aller un peu plus loin : EMCCD
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s
7. Pour aller un peu plus loin : Comparaison de technologies
Selon ANDOR !
L’optimum dépend du bruit du capteur CCD/CMOSLes progrés des capteurs permettent de le diminuer
50
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s
8. Modes d’entrelacement
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
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s
8. Modes d’entrelacement
CCD destinés à la vidéo / TV 2 contraintes :
Entrelacement de 2 trames pour former une image Fonctionnement à 50 Hz (ou 60Hz) : 1 image complète
toutes les 2x20ms (resp.17ms)
2 modes d’entrelacement possibles : Mode entrelacé Mode pseudo-entrelacé
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s
Mode Entrelacé Trame A : lignes paires Trame B : lignes impaires
Trame A Trame B
L1
L3
L5
L2
L4
8. Modes d’entrelacement
Peu de CCD permettent ce type de fonctionnement
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s
Mode Pseudo-entrelacé
Trame A : somme de 2 lignes adjacentes, départ sur L1 :(L1 + L2), (L3+L4),…
Trame B : somme de 2 lignes adjacentes, départ sur L2 : (L2 + L3), (L4+L5),…
Trame A
L1
L3
L5
L2
L4
L1 + L2
L3 + L4
Trame BL1
L3
L5
L2
L4
L2 + L3
L4 + L5
8. Modes d’entrelacement
Perte de résolution verticale
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s
Artéfacts dans l’image : Pollution pixel à pixel (Cross-talk) Eblouissement (Blooming) Pollution de transfert (Smearing) Mauvaise efficacité de transfert
9. Artéfacts dans l’image CCD
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de T
hale
sPollution pixel à pixel (Cross-talk) 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
f2 f1f2
e-
f2f1
e-
Pixel A
Photons
Pas de crosstalk Crosstalk
Pixel B
400 600 800 1000 12000.1
10
100
1 .103
1 .104 Profondeur d'absorption
Longueur d'onde (nm)
Dis
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9. Artéfacts dans l’image CCD
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s
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
9. Artéfacts dans l’image CCD
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sDrain anti-éblouissement (Lateral Overflow Drain ou Anti-blooming)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
9. Artéfacts dans l’image CCD
Drain enterré (le plus utilisé !)Couche enterrée disposée sous les photosites
Avantage : dimension de la zone sensible conservéeInconvénient : 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)
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s
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
9. Artéfacts dans l’image CCD
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s
IV. Fonctionnement des CMOS (APS)
1. Architecture2. Les micro-lentilles
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s
1. Architecture
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 (1000Hz), …...
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s
1. Architecture
CMOS ( Complementary Metal-Oxide
Semiconductor )
CMOS ou APS (Active Pixel Sensor)
Au sein de chaque pixel : Zone sensible Conversion charge /
tension Amplificateur suiveur Fonctions complexes
Intégrables au composant :
Zone sensibleZone de traitement
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s
1. ArchitectureDeux architectures concurrentes
Efficacité quantique: PG < 50% PDConversion V/e-: PG >> PDRéduction de bruit (CDS): PG possible, PD non
APS Photodiode • Design économique• Application consumer
APS Photogate:• Charges localisées sous grille
semi-transparente en polysilicium• Fonctionnement faible bruit
pour bas niveau d ’éclairement
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s
Rolling Shutter
[Image tossthecam (cameratoss.blogspot.com)]
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s
Global Reset
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s
1. Architecture : CMOS avec pixel 3-T
– Intégration signal– Conversion charge/tension– Bruit important :kTC– FF faible pour les petits pixels
• Couches de métaux• µ-lentilles
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s
1. Architecture : pixel 4-T : « pinned photodiodes »
Charges stockées en volume Permet de faire du CDS :
Diminution forte du bruit kTC : 3e- Réduction du FPN
p+
n+ n+
TX
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pixel 4T + antiblooming = pixel 5T
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sMicro-lentilles: Augmentation du taux de remplissagePermet la récupération de la surface optique de l’électronique associée
2. Les Micro-lentilles
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Synthèse : Capteurs d’image
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IV. Comparaison des technologies CCD et CMOS (APS)
1. Complexité électronique de gestion / miniaturisation / consommation
2. Surfaces sensibles / artéfacts image3. Pixels défectueux / bruits4. Synthèse comparative
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Comparaison CCD - CMOS
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Comparaison CCD - CMOS
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Architecture Camera CMOS
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Comparaison des technologies CMOS et CCD
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
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Comparaison des technologies CMOS et CCD
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)
Miniaturisation caméra CMOS:
Intégration de fonctions multiples sur chaque pixel Intégration possible dans un seul boîtier de l’ensemble des
fonctions d’une caméra
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Comparaison des technologies CMOS et CCD
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)
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Comparaison des technologies CMOS et CCDImpact des pixels défectueux
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
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Synthèse de Performances
Œil Humain Film CCD CMOS APS Réponse Spectrale 400-700
pic à 555 nm 300 - 700 400-00
400-00
QE (pic) (hors FF)
20% < 10% 50% (90% backside)
50% (diode) (90% backside)
dynamique 1e2 lin 1e6 log
10 …. 100 (non linéaire)
1e4 lin 6e3 lin 1e8 log
Sensibilité limite 0.001 Lux 0 (virtuel) 0.1 < 0.0001 poss.
1 <0.001 poss.
Bruit (photons) 10 100 10 (typ) <1 (best)
100 (typ) 3 (best)
Qualité cosmetique Excellente Très bonne Moyenne (FPN)
Fréquence Trame 15 prise de vue unique
30 typ (format TV)
>> 100
Couleur idéale faible (impression RGB)
faible (RGB)
faible (RGB)
Traitement plan focal Très élevé aucun Très limité Elevé Nb Pixels 120 M cones et
batonnets 1e6 (typ) 10 – 0.01 g/µm²
800 k typ 90 M (record)
800 k typ à >16 M
Temps de développement
500 M années 20 ans 3 ans 1 an
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sV. La couleur 1. Filtres de type Bayer2. Concept Foveon3. Caméras tri-capteurs
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1. Filtage de BAYER: séparation des couleurs
• Poids double du vert: sensibilité maximale de l’œil
• Résolution spatiale déterminée par la composante de luminance et non par la chrominance
Filtrage optique sur chaque pixel:
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High sensitivity BW with Color information
Pixels blancs (pour amélioration de la sensibilité)-bleu-vert-rouge
Ou vert-vert-bleu-rouge
ISSCC’08
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Artéfacts
Inconvénients du filtre de Bayer:1. Perte de FTM2. Perte de sensibilité3. Dématriçage (calcul couleurs manquantes)4. Aliasing coloré5. …..
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2. FOVEON: séparation des couleursFiltrage par sélection de profondeur d’absorption(FOVEON X3)
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)
4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 00 .1
1 0
1 0 0
1 .1 03
1 .1 04 Profondeur d 'absorp tion
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3. Tri-capteur: séparation des couleursUtilisation de trois capteurs dédiés
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3. Solution Tri-CapteurCe 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)
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VI. Introduction aux Intensificateurs de Lumière (I.L.)
1. Propriétés de la vision de nuit2. Architectures des I.L.3. Caractéristiques des I.L.4. Association avec un CCD / CMOS
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Propriétés de la vision de nuit
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 : 1 - 5Lux Pour lire ou écrire : 150Lux Pour un travail de bureau : 200Lux Pour des tâches difficiles : 800Lux
Þ Utilisation d’un système de vision de nuit de sensibilité typique max = 1 à quelques Lux
min = 0.001 à 0.0001Lux
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Niveaux d’éclairement
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
Eclairements (LUX)
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
10000
100000
Sol
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Lune
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lair)
San
s lu
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Conditions atmosphérique
Ecl
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Architecture des I.L.
Structure générale I.L de 1ère génération
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
ObjectifScène de nuit
Photocathode + 10 à 15 kVTube Intensificateur
Ecran phosphorescent
Oculaire
Faisceau d’électrons
Photons
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Caractéristiques des I.L. Réponse spectrale des Photocathodes
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Caractéristiques des I.L.Ecran, réponse des phosphores
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Architecture des I.L.
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
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Architecture des I.L.
I.L de 2ème générationIntroduction 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
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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 Grandissement =1
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Architecture des I.L.
I.L de 3ème générationUtilisation d’une photocathode en AsGa
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?
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Numérisation: Association avec un CCD
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
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Numérisation: Association avec un CCD
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
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Performances globales du tube
Rapport signal sur bruit (sans dimension) Défini sur un éclairement Eclairement équivalent au bruit Capacité au comptage de photons
Résolution FTM Paire de lignes par mm (lp/mm) avec atténuation d’amplitude
Sensibilité de la photocathode µA / lm ou mA / W Efficacité quantique vs longueur d’onde
Qualité image Gain Luminance écran Durée de vie
MTTF (Mean Time To Failure) en heures
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Caractéristiques des I.L.
PHOTONIS Technical specifications XD-4 technology image intensifiers
Resolution Minimal Typical Maximal UNIT Limiting resolution
Type I 55 58 lp/mm Type II 60 64 lp/mm
Modulation Transfer Function: 2.5 lp/mm 92 % 7.5 lp/mm 80 % 15 lp/mm 58 % 25 lp/mm 38 % 30 lp/mm 30 %
Signal to noise (@108µlx) 20 24
Phosphor: P20*
MTTF (to S/N=12) 15.000 hrs Gain at 2.10-5 lx 30.000/? 50.000/? cd/m2/lx
Max. Output Brightness 2 17 cd/m2/lx E.B.I. 0.15 0.25 µlx
Output uniformity at 2850K 2:01 3:01 Weight(18mm) 80 95 grams
Shock 500 g
Luminous sensitivity at 2850K 600 700 µA/lm
Radiant sensitivity at 800nm 50 60 mA/W
Radiant sensitivity at 850nm 40 50 mA/W
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Partage du marché
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Annexe
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Caractéristiques des I.L.
Grandissement :Rapport des dimensions de l’image sur l’écran de sortie et
l’image en entrée de la photocathode
Grandissement de 1
Grandissement 1
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Caractéristiques des I.L.
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)
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Caractéristiques des I.L. Sources de bruit
Dans les I.L. de 1ère génération :Bruit essentiellement photoniqueRSB = (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
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Les jeux d’unités
Intensité d'une source CandelaFlux lumineux angulaire (lumen) 1 lumen = 1 candela / stéradianÉclairement (lux) 1 lux = 1 lumen / m²Luminance 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).
Unités Photoniques Energétiques Visuelles
Quantité de lumière Nombre de photons (Nb Ph) J Lumen seconde
(lm . s) Flux Nb Ph / s W Lumen
Intensité Nb Ph / (s. sr) W / (sr) Candela (Cd) Luminance Nb Ph / (s. sr.m²) W / (sr . m²) Cd / m²
Exitance Nb Ph / (s.m²) W / m² Lm / m² Eclairement Nb Ph / (s.m²) W / m² lux
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Sensibilité de l’oeilLongueur
d'onde Sensibilité relative
380 0,00004
390 0,00012
400 0,0004
410 0,0012
420 0,004
430 0,0116
440 0,023
450 0,038
460 0,06
470 0,091
480 0,139
490 0,208
500 0,323
510 0,503
520 0,71
530 0,862
540 0,954
550 0,995
560 0,995
570 0,952
Longueurd'onde Sensibilité relative
580 0,87
590 0,757
600 0,61
610 0,503
620 0,381
630 0,265
640 0,175
650 0,107
660 0,061
670 0,032
680 0,017
690 0,0082
700 0,0041
710 0,0021
720 0,00105
730 0,00052
740 0,00025
750 0,00012
760 0,00006
770 0,00003
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Sensibilité de l’oeil
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Photométrie
• Energie du photon:
• Loi de Planck: Emittance spectrale
• Nombre moyen de photons reçu d’un corps noir
• Nombre moyen de photo-électronsgénéré
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
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Mesure avec une lampe incandescente
• 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
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Efficacité quantique effective
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
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s
Longueur d’onde effective
Pour un senseur donné:
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Coefficient de conversion en LUX
Irradiance photométrique (Lux):
avec:et, , la distribution spectrale desensibilité de l’œil
Assumant une distribution spectraleProportionnelle à celle du corps noir:
D’oû le coefficient de conversion