M2 SIA. TD Capteurs CCD. Exercice 1. Le nombre d électrons Ne qui s échappent du puits de potentiel en fonction du temps t est donné par :

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1 M2 SIA TD Capeurs CCD Exercice 1 Le nombre d élecrons Ne qui s échappen du puis de poeniel en foncion du emps es donné par : avec L, la longueur de la grille de polarisaion (cm) V TB, la haueur de barrière hermique (V) v h, la viesse hermique des élecrons avec m e, la masse de l élecron (m e = 0,9 x kg) k, la consane de Bolzmann (k = 1,38 x J K -1 ) 1. Déerminer la haueur de barrière hermique V TB requise pour empêcher un élecron de s échapper du puis de poeniel sur une période de emps de 100ms e une longueur de la grille L = 10 μm pour deux empéraures T = 300K e 178 K. On uilisera une capacié du puis S FW = e-. Comparer les valeurs rouvées à l énergie hermique moyenne des élecrons à T = 300K. 2. L agiaion hermique génère des paires élecrons/rous qui consiuen un brui parasie : le couran d obscurié I. Sachan qu à T = +20 o C, I = 20 e- s -1 dans le phoo-sie e que le couran I double pour un incrémen de empéraure ΔT = 2 o C, calculer le emps nécessaire pour que le puis de poeniel se remplisse d élecrons produis par l agiaion hermique à T = +20 o C e T = -18 o C. 3. La dynamique d une CCD correspond au rappor enre l obje le plus brillan e l obje le plus faible visibles simulanémen dans une image. En supposan que l obje le plus faible visible N min dans une image soi défni comme : N min = 3 x sqr(n I ) avec N I, le nombre d élecrons produis par agiaion hermique sur un emps d inégraion Δ, calculer la dynamique maximale pour Δ = 60 s e 600s e T = +20 o C e -18 o C.

2 Exercice 2 Soi un CCD 3 phases ype frame ransfer. La marice CCD possède 10 x 20 phoo-sies. Faire un dessin monran les différenes paries du CCD. Le pré-ampli de charge es placé à droie du regisre. Monrer commen s'effecue le décalage des charges d'un phoo-sie à un aure en supposan que les charges son sockées sous la seconde élecrode. On considère une CCD 3 phases i.e. 3 élecrodes par phoo-sie. On commence à lire à = 1.

3 Sens de la lecure V 3 V 2 V V 1 = V 3 = -V V 2 = +V Phoo-élecron = 0 Phoo-sie 1 Phoo-sie 2 Le cadensemen des horloges es donc : ΦV 1 ΦV 2 ΦV

4 Dessiner le chronogramme comple monran la lecure de ce CCD. On fera bien la disincion enre les différenes horloges de chaque parie du CCD. Pour lire enièremen le CCD, il fau faire les opéraions suivanes : ransférer la marice acive (10x20) dans la zone de sockage; ce qui revien à faire 20 décalages vericaux. Le CCD éan à 3 phases, on a besoin de rois horloges : ΦV 1, ΦV 2 e ΦV 3. vider la zone de sockage : 20 fois l alernance enre un décalage verical pour ransférer une ligne dans le regisre e 10 décalages horizonaux pour lire les charges dans le regisre. Pour les décalages vericaux dans la marice de sockage, on a besoin de 3 horloges : ΦVV 1, ΦVV 2 e ΦVV 3. Pour le regisre, on a aussi besoin de 3 horloges : ΦH 1, ΦH 2 & ΦH 3. avec = 0, le débu de la lecure du CCD. Chaque boîe grise correspond au cadensemen des 3 horloges pour ransférer les charges d'un phoo-sie à l'aure. En sachan que le ransfer d'un phoo-sie à un aure prend 3 μs, calculer le emps pour lire le CCD. Pour lire enièremen le CCD, il fau faire les opéraions suivanes : ransférer la marice acive (10x20) dans la zone de sockage; ce qui revien à faire 20 décalages vericaux. Cela prend un emps (Δ acive ) vider la zone de sockage : faire un ransfer verical pour décaler les charges d'une ligne dans le regisre horizonal; ce qui revien à faire 20 décalages vericaux pour vider la zone de sockage. Cela prend un emps (Δ sockage )

5 vider le regisre; ce qui revien à le vider 20 fois. Cela prend un emps Δ regisre. Puisque le regisre comprend 10 phoo-sies, il fau donc faire 10 décalages horizonaux pour le vider. Soi Δ, le emps de lecure du CCD e 0 le emps nécessaire pour ransférer les charges d'un phoo-sie à l'aure, il se décompose comme : AN: Δ = 720 μs Δ = Δ acive + Δ sockage + Δ regisre Δ = 20 x x x 10 x 0 = Soi un CTE m = 0,999 sur la marice e la zone de sockage e un CTE r = 0,9999 pour le regisre horizonal. Pour les phoo-sies se rouvan dans les coins du CCD, calculer le nombre de charges Q aeignan le pré-ampli. On prendra une charge iniiale Q 0 = 1000 e-. Quel impac cela aura sur l'image? On considère les phoo-sies en rouge sur le dessin ci-dessus. Pour le pixel 1, on doi faire 2 x 20 décalages vericaux pour le placer dans le regisre e 10 décalages horizonaux pour arriver au noeud de sorie. D'où, on en dédui que : Q 1 = Q 0 (CTE m ) 40 x (CTE r ) 10 Pour le pixel 2, on doi faire 2 x 20 décalages vericaux pour le placer dans le regisre e 1 décalage horizonal pour arriver au noeud de sorie. D'où, on en dédui que : Q 2 = Q 0 (CTE m ) 40 x (CTE r ) 1 Pour le pixel 3, on doi faire 20 décalages vericaux pour le placer dans le regisre e 1 décalage horizonal pour arriver au noeud de sorie. D'où, on en dédui que : Q 3 = Q 0 (CTE m ) 20 x (CTE r ) 1 Pour le pixel 2, on doi faire 20 décalages vericaux pour le placer dans le regisre e 10 décalages horizonaux pour arriver au noeud de sorie. D'où, on en dédui que : Q 4 = Q 0 (CTE m ) 20 x (CTE r ) 10 AN: Q 1 = 960 e- Q 2 = 961 e- Q 3 = 980 e- Q 3 = 979 e-

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