régis-de BENEDICTIS ( membre de l' AACO.association astronomique de cote d'or) "star.régis@wanadoo.fr"

1.1 QU' EST CE ?

En français DTC(Dispositif par Transfert de Charges) , est une matrice composée de plusieurs pixels(photosites). Ces pixels sensibles à la lumière, qu'ils gardent en mémoire par accumulation sous la forme de charges électriques proportionnel à la quantité de lumière reçue, seront lus par l'ordinateur après conversion des électrons accumulés de chaque pixel en valeurs numériques par la caméra, puis traduis à l'aide de l'ordinateur en niveaux de gris sur son écran pour être compréhensible de l'homme.

1.2 SOUS QUELLE FORME ?

Un circuit électronique intégré, muni de broches de connexions électriques, présentant une surface sensible(matrice) à la lumière, protégée par une lame de verre, et possédant plusieurs lignes de pixels verticales, horizontales, cote à cote.

1.3 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES

1.3.1 taille pixels (grains du film)

De forme rectangulaire, les pixels mesurent quelques micromètres(5 à 30).

Attention : de préférence choisir des pixels carrés, pour éviter une image déformée à

l'affichage sur l'ordinateur (toutefois, rattrapable avec les traitements d'images).

Critère déterminant donc la résolution image.

1.3.2 taille matrice (surface sensible)

il suffit de multiplier le nombre de pixels d'une ligne verticale puis d'une ligne horizontale, par la taille de ses pixels respectifs.

exemple : capteur TC211(ST4 Sbig) = 192 par 165 nb de pixels, de 13,75 par 16 microns

d'ou une taille de matrice = 2,64mn (192 .13,75) sur 2,64mn (165 .16).

Critère déterminant donc notre champ image.

1.3.3 différentes matrices

A/ Pleine Trame : (Full Frame)

Toute la surface sensible du capteur est exposée à la lumière.

Lors de la lecture de ce CCD après la prise de vue de l'objet, les pixels peuvent être "pollués" par le phénomène de "traînée de smearing" ou des lumières parasites(bruits), pendant la phase de transfert de charges des pixels vers la sortie, car le CCD est toujours soumis à la lumière de l'objet ou autres, pendant cette phase(quelques secondes).

!!! Un obturateur électromécanique est donc obligatoire pour la lune et le soleil, qui illuminent tout le capteur, voir indispensable pour les objets très brillants(planètes)et les très courtes poses, ou d'une obturation manuelle pour le ciel profond, pendant toutes les phases de lecture, pour éviter toutes altérations de l'image.

A noter : une technique de prise de vue dite "demi-trame" permet de faire des photos planétaires (hors lune et soleil!) sans obturateur.

Le principe est d'utiliser la moitié haute de la matrice pour exposer l'objet, et la moitié basse comme zone mémoire pour la lecture de l'objet.(effectué par logiciel)

On crée ainsi une matrice à transfert de trame virtuel.

B/ Transfert de Trame : (Frame Transfert)

le capteur est formé d'une double matrice identique, cote à cote, dont 1 "zone image"(exposée à la lumière), et 1 "zone mémoire"(masquée de la lumière).

En fin de pose, tous les "pixels images" sont transférés vers les "pixels mémoires" correspondant très rapidement, puis dirigés vers la sortie plus lentement(lecture).

On élimine les effets néfastes rencontrés plus haut.

On aurait pas besoin d'obturateur, en théorie!

Cependant, le temps de transfert "image vers mémoire" n'est pas si négligeable, et dans certains cas de forte luminosité comme précédemment, l'obturateur électromécanique pourrait être utile, voir indispensable.

Faire des essais.

C/ Transfert d'Interligne : (Interligne Transfert)

Présente une ligne de pixels mémoires(cachée de la lumière), associée à une ligne de pixels sensibles, cote à cote.

En fin de pose, la ligne sensible est transférée instantanément(microsecondes) vers sa ligne mémoire pour être lue lentement dans la phase de lecture du CCD. Cette fois aucun obturateur mécanique nécessaire

Matrice dite à obturateur électronique, idéale en planétaire(rapidité, sans vibrations, fiabilité).

Cependant, ces lignes mémoires représentent des "zones mortes" sur la surface sensible, d'ou masquer certains détails ponctuels(étoiles..), mais surtout provoquent une forte perte de sensibilité(30%):

ne pas utiliser ce capteur pour la photométrie.

Mêmes remarques pour les dispositifs anti-éblouissement(blooming) !!!

COMME CHAQUE TYPE DE CAPTEUR A DES AVANTAGES ET DES INCONVENIENTS, VEILLEZ DONC A CHOISIR LE TYPE DE MATRICE SI DES TRAVAUX ASTROs SPECIFIQUES SONT A EFFECTUER

1.3.4 qualité du CCD

Plusieurs défauts affectent la fabrication du CCD, notamment:

A/ pixels défectueux

-1 pixel dont la réponse diffère de ses voisins par carré de 100.100

(pixels chauds , pixels froids , pixels morts)

B/ amas défectueux

-groupe de 5 pixels défectueux maximum

C/ colonnes défectueuses

-groupe de pixels défectueux situés dans une même colonne

Ces défauts sont à prendre en considération, pour choisir une matrice sans dégradations importantes qui pourraient la rendre difficilement exploitable pour l'astronomie, mais fixent surtout son prix.

Ces défauts seront corrigés par traitement d'image en majeur partie.

Prendre le "grade2" au maximum (prix le plus faible)

1.4 CARACTERISTIQUES ELECTRONIQUES

1.4.1 niveaux de numérisation

pour être lu par l'ordinateur, le signal vidéo(analogique) issu du CCD doit être numérisé par un circuit électronique appelé "convertisseur analogique-numérique" ou(CAN).

Ce circuit code la valeur analogique CCD en une grandeur numérique(pour l'ordinateur) codée sur "N bits" qui caractérise le nombre de niveaux de gris "2puissanceN"( ou pas codeurs) de l'image.Paramètre qui déterminera la dynamique d'image.

exemple : * un codage sur "8bits" de l'information représente "2puissance8" niveaux de gris

= 256 niveaux (ou pas codeurs)

* dynamique caméra:

pour un capteur de 400000é de capacité de remplissage des pixels et de 10é en

bruit de lecture, sa dynamique est de 40000é (400000/10)par rapport au bruit

de la caméra, donc une conversion de 8bits est tout simplement inefficace

(256 niveaux offert contre 40000 possibles!!!!).

16bits(65000niveaux) sont indispensables pour cette caméra.

INVERSEMENT, une caméra de 40000é de capacité mais avec cette fois 40é

en bruit de lecture, a une dynamique de 1000é? seulement, un convertisseur de

16bits est tout simplement inutile(argument de vente!!!).

10bits(1024niveaux) sont suffisants.

!!!Cependant, un niveau de numérisation trop faible, peut générer un bruit(bruit de quantification) intolérable, on le verra.

1.4.2 bruit de lecture (valeur fixe)

du à la conception générale de la caméra, c'est à dire toute l'électronique(capteur compris), c'est pourquoi, la qualité et la conception entière de la caméra est importante.

Comme la conception de la caméra est plus ou moins réussie, naissent alors des incertitudes de lecture lors du transfert de charge de chaque photosite vers la sortie, que l'on appellera le bruit de lecture de la caméra.

Paramètre qui déterminera la dynamique de la caméra, donc sa capacité à détecter de faible flux. Le choisir le plus faible possible pour le ciel profond.

1.4.3 bruit d'offset

Détermine le vrai "seuil 0" du capteur, du à la précharge du capteur(réglages usines).

A une intensité lumineuse nulle, ne correspond pas une valeur nulle.

valeur que l'on peut considérer comme fixe dans le temps.

1.4.3 bruit thermique (courant d'obscurité)

Même lorsque le CCD n'est pas soumis à la lumière, ses pixels se chargent d'électrons, qui ne sont pas des "informations astronomiques", mais ce que l'on appel le courant d'obscurité(agitation des atomes CCD).

Ce bruit est donc présent lors de l'acquisition, et est proportionnel au temps de pose et dépend très fortement de la température CCD.

Ce courant d'obscurité(charges thermiques) peut produire un bruit thermique non négligeable par rapport au signal utile(information), et peut à lui seul saturer le capteur!!! , c'est donc un critère très important dans le choix du capteur.

Il faut refroidir efficacement la caméra, son intensité décroissant d'un facteur 2 par palier de 6° en négatif du CCD, et choisir des capteurs à faible bruit(MPP).

C'est un phénomène reproductible, dans des conditions d'intégrations identiques(temps , température). On pourra donc en limiter ses effets.

Pour connaître le bruit thermique d'une caméra, il suffit de multiplier le courant d'obscurité par le temps de pose et de prendre la racine carrée du produit. Cela peut réserver des surprises!!!

1.4.4 bruit de quantification

lié au CAN, ce bruit est de "P/(racine carrée12)"

ou P = nb d'électron par pas codeur.

Ce bruit de quantification ne doit pas dépasser le bruit de lecture de la caméra.

exemple : une caméra ayant une capacité de 150000é par pixels et une numérisation 8bits

(256) chaque pas codeur couvre 586 électrons, d'ou un bruit de 169é!!!.

Pour 12bits(4096), le bruit n'est plus que de 10é.

1.5 CARACTERISTIQUES PHOTOMETRIQUES

1.5.1 capacité des pixels

la contenance en électrons des pixels n'est pas illimitée. Généralement, les gros pixels ont une capacité supérieure aux petits pixels, et la technologie MPP offre une capacité 2à4 fois plus faible que la technologie traditionnelle, cependant elle offre un courant d'obscurité très faible même à température ambiante (30à50 fois moins).

Ce n'est pas un critère déterminant, cependant elle est à comparer avec le bruit de lecture pour connaître la dynamique de la caméra.

Mais peut devenir un facteur intéressant dans la détectivité et surtout lors de la photométrie de flux lumineux( grande capacité = saturation plus élevée par rapport au temps d'intégration).

D'une manière générale, on évite des pixels proches de la saturation(80%) car le phénomène de blooming(traînée de saturation) apparaît, mais surtout la linéarité est beaucoup moins bonne.

ATTENTION au système anti-blooming qui présente d'une part une zone morte, d'autre part le CCD peut perdre sa moitié de capacité supérieure en linéarité, et 30% en sensibilité.

DONC A proscrire en photométrie .

1.5.2 linéarité du pixel (seul)

vous allez comprendre la puissance du CCD?

On peut dire que le pixel est parfaitement linéaire(au millième près!), c'est à dire que le nombre d'électrons générés dans un pixel est proportionnel à la quantité de lumière reçue(dans la limite de son rendement quantique), hormis proche de la saturation ou un temps d'intégration trop court.

AVANTAGES

A/ quasi absence de seuil de détection

tout objet produira des électrons même s'il est très faible, notre pixel l'enregistrera même si ce signal est inférieur au bruit de l'image. La magie vient du fait qu'en additionnant plusieurs images, le faible signal augmente(addition) mais les bruits se moyennent, d'ou apparition de l'objet. Essayez en film photo!

B/ pas d'effet Schwarzschild (réciprocité)

poser 100secondes en CCD génère exactement 10fois plus d'électrons qu'une pose de 10secondes. Le film photo baisse en sensibilité de façon importante et le bruit de fond augmente fortement, lorsque le temps s'allonge, il faut l'hyper-sensibilisé pour éloigner son point de rendement.

C/ photométrie

la lecture de l'éclat de chaque astre est directe et d'une grande précision(quelques centièmes de magnitude) après étalonnage, grâce à sa linéarité.

1.5.3 sensibilité - détectivité

la sensibilité du CCD est le nombre d'électrons générés par l'éclairement, et est exprimée en rendement quantique.(30à90% selon la longueur d'onde et le CCD).

Voir les caractéristiques constructeurs ! ! !

la détectivité caractérise la capacité du CCD à faire apparaître des objets peu contrastés ou à faible flux par rapport aux bruits.

On considère que l'objet sera détecté si son signal vaut 3fois le bruit de l'image.

Les bruits de la caméra vu précédemment prennent toutes leur importance ici.

Mais un dernier bruit, non décrit encore, devient un critère important dans la détectivité, c'est le "bruit de fond du ciel", hormis le signal lui même. Il émet lui aussi un signal donc du bruit, égale à la racine carrée des photons produits pendant le temps t, et peut donc devenir non négligeable si le fond de ciel est mauvais(ville).

Pour avoir une bonne détectivité, il faut donc minimiser le bruit total.

Au niveau de la caméra : refroidissement efficace(bruit thermique) et faible bruit de lecture et thermique

au niveau du bruit de fond : pollution lumineuse(site) , rapport f/D , bafflage etc...

ça ne sert à rien d'avoir une super caméra si l'environnement est....

1.5.6 la non-uniformité de réponse

la matrice a une différence de sensibilité à la lumière d'un pixel à l'autre(on ne peut pas réaliser des matrice avec des pixels qui réagissent de la même façon à la lumière), qu'il faudra absolument corriger, même si elle est très faible, car elle nuira fortement à l'image finale, mais surtout, on perdra son pouvoir de détectivité et de linéarité.

De plus, le vignettage, les poussières sur le trajet lumineux , les optiques, le bafflage...., modifieront aussi cette différence de sensibilité, donc ajoutera du bruit.

heureusement, on pourra fortement les limiter.

Aucunes exploitations possibles de l'image si on ne la corrige pas. C'est le facteur le plus important dans l'imagerie CCD. Sinon restez dans la photo classique!!!

2.1 COMPOSITION THEORIQUE

L'image acquise après la lecture du CCD est une "image brute", c'est à dire qu'elle contient non seulement le signal utile(ce que l'on recherche) mais comme nous venons de le voir tous les bruits et défauts(caméra ,télescope ,environnement...).

2.1.1 image brut (raw image)

D'après les caractéristiques du CCD vu précédemment, on peut synthétiser l'image brute au niveau des pixels, de la façon suivante :

( raw image ) = ( bias ) + ( thermal ) + [ ( photons ) . ( réponse capteur ) ]

*bias (précharge) = précharge(ou offset du CCD).

Valeur constante, indépendante de la température et du temps.(normalement)

Correspond au niveau zéro du capteur.

Ne pas confondre le bruit d'offset avec le bruit de lecture.

*thermal (thermique) = charges thermiques accumulées pendant la pose.

Fonctions de la température du CCD et du temps de pose.

C'est le bruit thermique.

*réponse capteur = facteur de réponse des pixels, différent entre chaque pixel.

fonction de la non-uniformité de réponse, le vignettage, poussières.....

*photons = nombre d'électrons réels(des objets) frappant la matrice.

C'est ce signal que l'on veut extraire, de l'image brute.

2.1.2 comment obtenir notre "signal utile"(photons)

il faut résoudre l'équation précédente(2.1.1) pour extraire "photons"

D'ou : photons = [ (raw) - (bias) - (thermal) ] / [ réponse capteur ]

Comment obtenir :

*raw = image brute , après l'acquisition.

image à prétraiter.

*bias = précharge(offset)

c'est une pose, la plus courte possible, dans l'obscurité totale

éviter l'apparition de photons et du signal thermique

*thermal = déterminé à partir d'un NOIR ou(DARK)

dark : c'est une pose, effectuée dans l'obscurité totale, de la même durée t

et à la même température que l'image à prétraiter.

Image représentant le signal thermique + le signal d'offset

!!!!Il contient donc, aussi le bias(offset).

D'ou le THERMAL = DARK - BIAS

*réponse capteur = elle sera déterminée à partir d'une image de

Plage de Lumière Uniforme(PLU) ou "Flat-Field".

PLU : c'est une pose d'une durée t, effectuée sur une plage de lumière

uniforme(donc le signal = cste), sans saturation du capteur!!!

(remplir typiquement 50à75%).

Mesure donc, l'assombrissement du au vignettage, poussières, ainsi que la différence de sensibilité entre les pixels.

La PLU peut être synthétisée comme en 2.1.1 :

PLU = (bias) + (thermal)PLU + ( réponse . cste)

d'ou ; réponse capteur = [ (PLU) - (bias) - (thermal)PLU ] / [ cste ]

le " (thermal)PLU " sera fait dans les mêmes conditions que la PLU(temps; température)

2.1.4 en quoi consiste le prétraitement en CCD?

On l'a vu, notre image sortant de la caméra est une image brute, c'est à dire qu'elle contient non seulement tous les bruits mais également tous défauts venant masquer notre signal utile.

Le prétraitement consistera à réduire au maximum ces effets néfastes, afin de ne faire ressortir que l'information réellement tombée sur notre matrice de l'objet observé.

Des 2 équations précédentes(A et B), on peut dire :

image prétraitée ={ [ (raw)photo - (bias) - (thermal)photo ] / [ (PLU) - (bias) - (thermal)PLU ] } . cste

avec cste = moyenne de tous les pixels de la PLU( !!!soustraite du bias )

compense la perte dynamique de l'image lors de la division de la PLU

ou [ (image brute - noir image) / (image PLU - noir PLU) ] . cste

le prétraitement consiste à :

A / la soustraction du dark, (donc aussi du bias, puisque contenu dans le dark)

de l'image brute, on génère ainsi une nouvelle image.

B / à cette nouvelle image, on divise la PLU( !!!!soustraite du dark) que l'on

multiple par une constante

pour cela on aura besoin des images dits de calibration : DARK ; BIAS ; PLU

NOUS VERRONS PLUS EN DETAIL COMMENT PROCEDER POUR L'OBTENTION DE CES IMAGES DE CALIBRATION, ET LEUR OPTIMISATION(POUR DIMINUER LES BRUITS QU'ILS ENGENDRONS A LEUR TOUR), PLUS TARD, DANS UNE 2ème PARTIE, CONSACREE A LA TECHNIQUE CCD.

3.1 RESOLUTION IMAGE (R)

liée à la taille des pixels formant la matrice et à la focale utilisée

R(sec d'arc) = 206265 . taille-pixel(mm) / Focale(mm)

3.2 CHAMPS IMAGE (C)

lié à la dimension de la matrice et à la focale utilisée

C(min d'arc) = 206265 . taille-matrice(mm) / focale(mm)

3.3 TOLERANCE DE MISE AU POINT

du CCD au foyer primaire de l'instrument, dépend du rapport d'ouverture de l'instrument(!!!! du miroir primaire et non pas du F/D résultant), de la longueur d'onde de la lumière(l) et de la précision du décalage de la longueur d'onde(dl = 1/8 mini ~ loi de diffraction)

T(mm) = 8 . (f/d)² .l .dl

exemple : à 0,6 de longueur d'onde et F/Dprimaire=6 , la tolérance permettant d'obtenir une focalisation meilleure que l/8 est de = 8 . 6². 0,0006 . (1/8)= 0,02mm (20microns)

!!!!!!!!!!! pour un shmit-cassegrain(meade ; celestron), le rapport f/dprimaire est ~2!!

d'ou une tolérance de 2,5microns!!!!! De précision de déplacement du miroir primaire

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