LA SENSIBILITE SPECTRALE DES CCD KAF-0400

Le rendement quantique est une mesure de la sensibilté d'un détecteur. Il défini le taux de convertion des photons en charges électriques. Par exemple, si le rendement quantique est de 50%, cela signifie qu'il faudra en moyenne 2 photons pour produire une charge électrique (un électron dans le cas des CCD).

Cette page permet de comparer le rendement quantique en fonction de la longueur d'onde des CCD Kodak de la famille KAF-0400, très populaire chez les astronomes amateurs. Elle donne aussi les performances du nouveau CCD KAF-0401E, qui sont extrèmement prometteuses, en particulier pour les travaux de spectrographie grâce à l'étendue de la sensibilité dans le bleu. Il devient par exemple très envisageable avec un tel détecteur dans les mains des astronomes amateurs de détecter la raie Lyman Alpha dans le spectre de quelques quasars ou d'observer la raie CN dans le spectre des comètes.

 
Le rendement quantique du CCD Kodak KAF-0400 (d'après un document Kodak)
 
Le KAF-0400L est un CCD fonctionnellement identique du KAF-0400, mais possédant un dispositif anti-éblouissement. Il évite par exemple d'avoir des trainées disgracieuses s'échappant des étoiles saturées. Ce CCD n'est pourtant pas un bon un choix pour l'astronomie en raison d'une perte brute de sensibilité de 30% environ par rapport au KAF-0400 standard. En outre, la structure anti-éblouissement située entre les pixels risque de poser des problèmes pour certaines études faisant appel à des mesures photométriques précises.
La rendement quantique du KAF-0400L. Remarquez la perte de sensibilité par rapport au KAF-0400.

Il existe une version couleur du KAF-0400 : le KAF-0400C. Le KAF-0400C est totalement compatible électroniquement avec KAF-0400 à part que le boîtier qui est notablement plus petit et les pattes plus serrées (il est nécessaire de fabriquer un petit circuit imprimé pour rendre mécaniquement compatibles ces deux CCD).

A gauche un KAF-0400C monté sur un circuit imprimé intermédiaire. A droite, KAF-0400 standard.
 
L'image qui provient d'un KAF-0400C ressemble de prime abord à celle de son cousin, le KAF-0400. Ce n'est qu'en triant judicieusement les pixels et en réalisant un petit travail d'interpolation que l'on extrait trois images distinctes, équivalentes à celles que l'on aurait obtenues en faisant trois images successives de la scène au travers de filtres rouge, vert et bleu. Les trois images ci-dessus montrent un exemple typique d'extraction des composantes colorées du KAF-0400C, avec de gauche à droite, les images rouge, verte et bleu de la scène (traitement QMiPS32).
Image en couleur de carte géographique réalisée à partir des trois composantes rouge, verte et bleue de l'exemple précédent.
Le rendement quantique relatif des pixels rouge, vert et bleu d'un CCD KAF-0400C. Notez que les pixels bleu présentent une remontée de sensibilité dans le rouge, ce qui va nécessité quelques acrobatie au moment du traitement des images pour restituer un rendu des couleurs correct. Notez encore que la sensibilité dans le bleu est très médiocre.

Kodak peut fournir une version spéciale du KAF-0400 avec une sensibilité accrue dans la partie bleu du spectre : le KAF-0401E. Ce CCD n'est pas à confondre avec un autre composant introduit en 1996, le KAF-0400E, qui a été loin de briller par ces performances. Entre-autre, le courant d'osbcurité était alors 4 ou 5 fois plus élevé par rapport au KAF-0400, la dynamique très faible, le signal d'offset fortement variable en fonction de la température, le gain en sensibilité dans le bleu somme toute assez faible, de l'ordre de 20%, ... Bref, un CCD peu séduisant. Très récemment, début 1999, Kodak a annoncé l'arrivée d'une gamme de nouveaux CCD à fort rendement quantique dans le bleu, les Blue Plus Image Sensor, dont fait partie le KAF-0401E. D'après les premiers résultats, Kodak maitrise à présent la technologie des CCD à forte sensibilité dans le bleu. Pour accroitre cette sensibilité, le constructeur a réussi à rendre transparente l'une des électrodes de la structure CCD. Le résultat est un rendement quantique qui passe de 38% pour le KAF-0400 à 62% pour le nouveau KAF-0401E à la longueur d'onde 0.6 micron. Surtout, à 0.4 micron le rendement quantique du KAF-0401E est de 30% alors que celui du KAF-0400 est quasi nul. A 0.35 micron, c'est-à-dire dans l'UV, la sensibilité du KAF-0401E est encore de 15% ! La courant d'obscurité, déjà particulièrement faible avec le KAF-0400, dimiminue encore en passant de 10 à 6pA/cm2. Tout ceci représente un gain très important : la sensibilité globale est pratiquement doublée par rapport au KAF-0400 pour une image obtenue sans filtre, la réalisation d'images trichromes devient un plaisir, la grande sensibilité dans le bleu ouvre de très importantes perspectives en spectrographie, en photométrie, en imagerie haute résolution, etc.

Le rendement quantique du nouveau KAF-0401E. Celui-ci concurence sérieusement les CCD amincis, bien plus fragiles et couteux.
 
Le KAF-0401E est compatible sur le plan du brochage avec le KAF-0400. Cependants quelques tensions sont à ajuster, mais dans de faibles proportions. Le tableau suivant résume les différences entre le KAF-0400 et le KAF-0401E sur le plan électrique :
 
 
DIFFERENCES ENTRE LE KAF-0400 ET LE KAF-0401E
 
KAF-0400
KAF-0401E
VRD
+10.0V
+11.0V
VSS
+0.7V
+2.0V
VOG
+3.0V
+4.0V
GUARD
+7.0V
+9.0V
Niveau bas de V1
-8.0V
-9.0V
Niveau haut de R
+3.0V
+4.0V
 
 
Vous trouverez une traduction complète en français du datasheet du KAF-0400 sur le site de David Romeuf.