Les caractéristiques électroniques
d'une caméra
(exemple de la ST7 avec antiblomming)

 

La caméra CCD SBIG ( Santa Barbara Instruments Group ) ST7 est une caméra à base de KAF-0400 ( alors que la ST8 est à base de KAF-1600 de surface quatre fois plus grande ). De plus, cette caméra est dotée d'une matrice CCD TC211 permettant de réaliser un autoguidage du télescope à partir de ce capteur. Par contre, le logiciel de pilotage de la caméra proposé par SBIG est loin d'être convivial ... surtout quand on a utilisé celui du PAP98 !

La caméra peut être régulée en température, lui permettant d'après SBIG de réguler la température à 0,1°C d'erreur près.
Les données suivantes sont fournies par SBIG pour les ST7 / ST8.
 

Capteur utilisé	Capacité maximum en électrons	maximum de pas  codeurs utilisés	nombre d'électrons  par ADU
KAF-0400  binning 1x1	40 000 ( avec antiblooming )	environ 16000	3,0
KAF-0400  binning 2x2	160 000 ( 4 * 40 000 )	65 535	3,0
TC 211	150 000	65 535	2,0

 

Cependant, ces données sont celles que l'on doit obtenir avec le logiciel d'acquisition fourni par SBIG. Le PAP98 gère la caméra différemment. Nous allons donc reprendre toutes les mesures électroniques de la caméra pour le PAP98 ( les méthodes exposées peuvent être appliquées à toutes sortes de caméras avec n'importe quel logiciel d'acquisition ).

Le CAN de la caméra est un 16 bits. Avec le logiciel de chez SBIG, sa pleine échelle n'est pas utilisée pour le binning 1x1 contrairement aux autres modes ( binning 2x2 et 3x3 ). De toute façon, on verra par la suite qu'en binning 1x1, une conversion sur 65535 pas n'est pas indispensable . Avec le PAP98, le nombre de pas codeurs est sur 16 bits mais signés, c'est-à-dire que l'image brute sera codée de 0 à 32767 pas codeurs ( ADU ).

Contenu :

Le gain de la caméra.

Le bruit de lecture.

Les charges thermiques.

La régulation en température.

Le gain de la caméra :

La mesure du gain revient à mesurer le nombre d'électrons par ADU ( pas codeurs ). On notera désormais cette donnée e/ADU.

La méthode exposée ci-dessous est utilisée par l'équipe de l'observatoire des Pises pour trouver le nombre d'e/ADU de n'importe quelle caméra :

1. Faire deux flats non saturés, ayant pour valeurs moyennes au moins les deux tiers de la dynamique de la caméra. Il faut que la valeur moyenne de ces flats soit la même, à moins de 100 ADU près ! Soit Mflat cette valeur moyenne.
2. Prendre une série de noir de même temps de poses que ces flats ( Les noirs regrouperont donc l'offset et le noir proprement dit du capteur ). En faire la médiane avec " Prétraitement / Médiane en série". Retrancher cette image des deux flats précédents.
3. Mesurer la valeur moyenne de l'offset. Soit Moffset cette valeur.
4. Diviser alors les deux flats. On obtient alors une image quasi uniforme. Mesurer alors l'écart-type, noté ET, dans une fenêtre d'environ 200 x 200.
5. Le nombre d'e/ADU est alors égal à ( 2 x ( Mflat - Moffset ) ) / ( ET x ET ).

Il ne faut pas hésiter à recommencer la manipulation plusieurs fois.

Pour la démonstration de la mesure, voir la fin de la section .

La manipulation a été faite avec une ST7 et on obtient les résultats suivants AVEC LE PAP98 ( flats de 0.15s avec la méthode du papier blanc devant le télescope exposé dans CCD et Télescope n° 6 ) :
 

Capteur utilisé	nombre de mesures	e/ADU avec la  méthode ci-dessus	Ecart-type sur les mesures
KAF-0400  binning 1x1	9	1,57	0,01
KAF-0400  binning 2x2	5	1,36	0,02

 

Il faut savoir, avant d'interpréter ces mesures et les comparer à celles du constructeur, que le PAP98 utilise une numérisation sur 16 bits signés. Les pas codeurs vont donc de -32767 à 32767, ceci pour autoriser les valeurs de pixels négatifs qui sont très utiles lors du traitement ( en effet, si un pixel prend une valeur de -1, il aurait dans le cas d'une numérisation sur 16 bits non signés une valeur de 65535 ... ce qui détruirait certaines mesures où on obtient des pixels négatifs ; voir bruit de lecture de la caméra ). La tension provenant des pixels de la caméra est transformé par le CAN associé à la caméra, puis numérisé de toute façon sur 32767 pas codeurs par le PAP98 ( on ne se sert donc pas des 16 bits du CAN de la caméra mais de 15 ce qui, on le verra, est suffisant ).

En binning 1x1, le gain de la caméra ST7 utilisée avec le PAP98 est de 1,6. La capacité maximum de chaque pixel étant d'environ 40 000 électrons, la dynamique du pixel est utilisé en entier. ( Dans son logiciel, SBIG utilise également la capacité maximum de chaque pixel, mais sur un nombre de pas codeurs deux fois moins grand; SBIG a dû volontairement " brider " sa caméra, car à partir d'un certain niveau, la linéarité n'est plus respectée surtout pour un capteur antiblooming ). De toute façon, en ce qui concerne le nombre de pas codeurs, un nombre de 16384 suffit. ( voir remarque du bruit de lecture ).

Pour un binning de 2x2, la gestion du PAP98 et du logiciel de chez SBIG est différent. Avec un nombre d'e-/ADU de 3 pour un nombre de pas codeurs de 65535, SBIG utilise toute la dynamique des pixels. Seulement l'utilisation du binning 2x2 n'est pas fait en général pour faire de belles images de référence. Ce mode est utilisé pour avoir un maximum de détectivité ! Là, le PAP98 devient plus fort que le logiciel proposé par SBIG. En effet, avec le premier, on obtient, par la mesure, 1,4 e-/ADU. Avec toujours un nombre de pas codeurs de 32767, le PAP98 n'utilise que le quart de la dynamique de chaque pixel. Mais, on a vu que pour le binning 2x2, c'est exactement ce qui nous intéresse puisqu'on utilise ce mode pour détecter des objets faibles qui de toute façon ne dépasserons pas le quart de la dynamique du pixel. Le fait d'augmenter le nombre de pas codeurs pour un même nombre d'électrons permet alors d'augmenter la détectivité ( tout au moins visuelle mais en plus donne des mesures plus précises sur les objets ). En conclusion, en binning 2x2, le gain de la caméra ST7 utilisée avec le PAP98 est de 1,4.

Démonstration de la mesure :

Soit G le gain de la caméra ( qui correspond au nombre d'électrons par ADU ) et N le nombre d'électrons créés par un signal pour chaque pixel ( pour pouvoir profiter des lois statistiques qui vont suivre, ce nombre N doit être le même pour tous les pixels ).
Alors le signal en ADU sera de :

S( ADU ) = N/G.

Le bruit de signal associé ( représenté par l'écart-type ) sera alors de :

SIGMA_S ( ADU ) = Racine_carrée ( N ) / G

La variance sera alors de :

( SIGMA_S ( ADU ) )^2 = N / G^2

Seulement on a vu qu'il faut un même nombre d'électrons N dans chaque pixel pour pouvoir utiliser cette propriété statistique. Le fait de réaliser un flat proche de la saturation donne un grand nombre d'électrons pour chaque pixel mais pas le même pour chacun d'où un écart-type de l'image supérieur à l'écart-type statistique.
On remédie à ce problème en prenant deux flats de moyenne identique ( ou quasi-identique ). Quand on va diviser ces deux flats ( multiplier si celà ne se fait pas automatiquement par la moyenne d'un des flats ) , on va obtenir une image quasi-uniforme au bruit de signal associé.( c'est pour celà qu'il faut avoir pris soin avant de dédarker les flats pour éviter d'introduire d'autres phénomènes statistiques ; il restera toujours leur bruit correspondant et c'est pour celà qu'il ne faut pas que les poses soient trop longues ).

Mais ce bruit ne va pas être égal à celui que l'on attend. En effet, le signal pour être considéré comme la division de deux signaux S1 ( ADU ) = N1 / G et S2 ( ADU ) = N2 / G. On obtiendra un signal résultant S = N / G avec un nombre N identique dans chaque pixel. On peut même considérer que S résulte de la division de deux images avec S1 ( ADU ) = S2 ( ADU ) = N / G. Seulement, dans S1 et S2, la variance pour chaque image est certes identique mais reste un phénomène aléatoire. D'après le théorème de pythagore dans les systèmes statistiques, les variances associées à 2 phénomènes statistiques indépendants s'additionnent. La variance résultante de la division des deux images va être de :

( SIGMA_S ( ADU ) )^2 = 2*N / G^2

avec toujours S ( ADU ) = N / G.

S ( ADU ) n'est autre que la valeur moyenne de la division des deux flats ou de l'un des deux flats ( de toute façon, elles sont toutes égales ).

On calcule alors G = ( 2*S ( ADU ) ) / ( SIGMA_S ( ADU ) )^2 qui n'est autre que la relation que l'on a utilisée !

Le bruit de lecture de la caméra :

mesure : voir la fonction statistique.

on définit le bruit de lecture par :

bruit de lecture ( électrons ) = Ecart-type de l'offset ( ADU ) * nombre d'électrons par pixel ( électrons / ADU )

résultats :
 

Binning	Ecart-type en ADU	Bruit de lecture en électrons
1x1	6,9	entre 10 et 11
2x2	7,54	entre 10 et 11

 

On voit donc que le bruit de lecture est indépendant du mode binning utilisé.
 

Température du capteur  en binning 1x1	Ecart-type en ADU	Bruit de lecture en électrons
-18°C	6,9	entre 10 et 11
-24°C	6,7	entre 10 et 11
-27°C	6,7	entre 10 et 11

 Le bruit de lecture ne dépend pas alors de la température.

Les mesures montrent que la caméra ST7 a un bruit de lecture de 11 électrons ( SBIG en annonce une quinzaine ).

Remarque sur le CAN d'une caméra :
On utilise le plus souvent une caméra CCD en binning 1x1. Dans le cas de la ST7, le nombre de pas codeurs alors utilisé est de 16384 ( SBIG ) ou 32767 ( PAP98 ) suivant le logiciel utilisé. Le bruit de lecture de la caméra est de 11 électrons. La capacité maximum de chaque pixel du CCD est de 40 000 électrons; celle-ci est donc 3 600 fois plus grande que le bruit de lecture. Afin de bien analyser et faire des mesures sur l'image, la densité des pas codeurs doit être plus fine que le bruit, c'est-à-dire doit être au moins égal ici à 3 600. On voit donc, dans le cas du binning 1x1, qu'un nombre de pas codeurs de 16384 ou 32767 est largement suffisant ( le problème aurait dû être vu de façon différente si la capacité maximum des pixels avait été beaucoup plus grande ! ).
Dans le cas du binning 2x2, la remarque précédente ne change pas avec l'utilisation du PAP98. Par contre, avec le logiciel distribué par SBIG, la totalité de la capacité de chaque pixel est utilisé. Un nombre de pas codeurs de 65535 s'avère alors utile puisque le bruit de lecture ne varie pas et que la capacité des pixels est multiplié par 4 ! Par contre, ce dernier logiciel ne propose aucun traitement évolué de l'image. Pour traiter l'image, il faudra rappeler l'image sous le PAP98; on devra alors sauvegarder l'image sous format FITS en 16 bits non signés dans le logiciel SBIG. Quand elle sera rappelée, elle sera transcrite sous un nombre de pas codeurs de 32767 ( chaque valeur sera divisée par 2 ).

Conclusion : maintenant que le PAP98 gère parfaitement ce type de caméra, il est conseillé d'utiliser ce logiciel pour l'acquisition ( et en plus, on a directement les fonctions d'analyse évoluées et un atlas pour se repérer ! ). En effet, la gestion du binning 2x2 est mieux adapté et l'utilisation du logiciel est nettement plus conviviale ( logiciel sous WIN95 ) que celui de chez SBIG.

Les charges thermiques :

Le but de cette partie est de quantifier le nombre d'électron de charge thermique par seconde. Ce nombre va évidemment dépendre du refroidissement. Plus ce dernier est important, plus ce nombre sera petit.

1. Pour effectuer la mesure, on réalise une moyenne de plusieurs noirs de mêmes temps de pose. On obtient un noir de T secondes de poses.
2. Pour qu'il n'y ait que la contribution des charges thermiques, on en retire l'offset. Il ne doit plus alors rester que les charges thermiques. En utilisant la fonction " statistique " du PAP98, on fait une statistique sur une fenêtre 200x200. La valeur moyenne renvoie le nombre de pas codeurs des charges thermiques par pixels.
3. On multiplie cette valeur par le gain de la caméra. On obtient alors un résultat en électrons par pixels.
4. Il ne reste plus qu'à diviser cette valeur par le temps de pose du noir pour avoir les charges thermiques par pixels par seconde.

nbre e- par pixel par seconde = ( nbre e-/ADU * Moyenne du noir ) / T

L'expérience a été réalisée avec une caméra CCD ST7 :

La température extérieure était réellement de 3°C. On obtient les résultats suivants :
 

binning  utilisé	temps de  pose du noir	température interne  indiquée du capteur	température externe  indiquée par le capteur	puissance du  refroidissement	moyenne noir  en ADU	charges thermiques  en nbre e- / pix / sec
1 x 1	300s	-18°C	13°C	56%	27,0	0,13
	100s	-18°C	13°C	56%	9,5	0,14
	100s	-24°C	13°C	56%	5,1	0,076
	100s	-27°C	13°C	56%	4,0	0,060
2 x 2	100s	-18°C	14°C	76%	32,8	0,46
3x3	100s	-18°C	15°C	97%	76,1	1,1

 

Les conclusions sur le refroidissement seront tirées dans la section suivante. Pour l'instant, attardons-nous sur les charges thermiques :

1. Le nombre d'électrons par seconde par pixel ( désormais noté e/s/p ) ne dépend pas du temps de pose. En effet, on obtient le même résultat à même température pour 100s et 300s de pose.( mesures utilisées : 1 et 2 )
2. Le nombre d'e/s/p ne dépend pas non plus du binnig utilisé : en binning 2x2, on utilise 4 pixels. Pour comparer avec le binning 1x1, il faut multiplier le résultat de ce dernier cas par 4. Pour le binning 3x3, il faut, avec le même raisonnement, multiplier ce résultat par 9 . On peut donc en tirer la conclusion précédente.( meusres utilisées : 2, 5 et 6)
3. Enfin, quand la température baisse, les charges thermiques baissent aussi. Ainsi, plus on diminue la température du capteur, plus la détectivité est importante. ( mesures utilisées : 2, 3 et 4 )

D'après les indications portées par le capteur de température externe, il aurait fallu tenir compte d'une température extérieure élevée ( enfin ... agréable ). Cependant, cette valeur est nettement au-dessus de la réalité ! Environ 10°C à moyenne puissance et 12°C à forte puissance. Cette différence a lieu à chaque observation. Lorsque le refroidissement n'est pas lancé, il n'y a quasiment pas de différence de température.

Cette différence est due au fait que la sonde de température extérieure doit être collée au radiateur ( source chaude ). En effet, le principe de refroidissement repose sur une prise de chaleur à la source froide par la source chaude ( chaque source représente une face du module à effet Peltier ). Pour un maximum d'efficacité, la source chaude est refroidie par des ailettes en contact avec l'extérieur. Il y a de plus, en général, pour un échange d'air plus rapide, un ventilateur. Si la sonde est trop proche d'une source chaude, elle donne donc une température extérieure plus importante que la réalité.

La température indiquée par le capteur interne semble révéler qu'au maximum de refroidissement, la différence effective de température est de 30°C. Nous allons discuter de ce résultat dans la section suivante.

La régulation en température :

D'après les données du constructeur sur le KAF-0400, on a à 0°C un noir de 0,5 électrons par seconde par pixel. Par la suite, ce nombre diminue de moitié tous les 5 ou 6°C. Ce qui nous donne les résultats suivants :
 

 

température du capteur KAF-0400	nombre d'électron par seconde et par pixel
0°C	0,5
entre -5°C et -6°C	0,25
entre -10°C et -12°C	0,125
entre -15°C et -18°C	0,062
entre -20°C et -24°C	0,031

 

Les résultats obtenus avec une température affichée de -18°C sont normalement obtenus pour une température de -8°C sur le capteur.
Les résultats obtenus pour une température de -24°C sont normalement obtenus pour une température de -15°C sur le capteur. Ces résultats commencent à devenir insuffisant pour une détectivité d'objets faibles.
Pour une température de -27°C, celà correspond à des résultats à -18°C sur le capteur.

A partir de tous ces résultats, on peut dire qu'en fin de compte, la différence de température que l'on peut obtenir avec la température extérieure ( lue sur un thermomètre ! ), à pleine puissance, est au maximum de 20°C.
Ces valeurs n'ont aucune conséquence pour des observations hivernales ( où la température extérieure ne sera pas très élevée ). Par contre, en été, la détectivité de la caméra sera moins importante ( en effet, plus il y aura de charges thermiques, plus le bruit thermique sera important, et en ce qui concerne ce bruit, il est impossible de l'enlever par le traitement ! ).

La différence de température entre celle indiquée par le capteur et celle réelle du capteur doit provenir du fait que la sonde ne doit pas se trouver réellement sur le capteur mais doit plutôt être collée au module à effet Peltier.

Une possibilité d'amélioration serait de refroidir le radiateur de la caméra par un circuit à eau. Une manipulation à tester ...