VII Aberrations & effets sur l imagerie 1 Non-uniformité de réponse des photo-sites («fixed pattern noise») La réponse de chaque photo-site est unique et légèrement différente. Apparition d effets de moiré dans l image Exemple de non-uniformité de réponse d une CCD observant un plan de lumière uniforme.
2 Courant d obscurité & Pixels «chauds» Exemples d images prises dans le noir
*Equation du courant d obscurité L équation permettant de calculer le courant d obscurité DR est : 15 1,5 DR =2,55 10 P S DFM T exp Eg 2kT avec : PS = la surface d un photo-site (cm2) T = la temperature de la CCD (K) k = la constante de Boltzmann (k = 1,38 x 10-23 J K-1 = 8,62 x 10-5 ev K-1) DFM = la figure de mérite du courant d obscurité à 300 K (na cm-2) Eg = la largeur de la bande interdite (ev) [DR] = e- s-1 pixel-1 L évolution de la largeur de la bande interdite avec la température est donnée par : 7,021 10 4 T 2 E g=1,1557 1108+T
Pour réduire le courant d obscurité, il suffit de diminuer la température. Toutefois, en deçà de 77K (-196oC), la CCD arrêtera de fonctionner car les impuretés dopantes vont se recombiner. L énergie d ionisation des dopants Ei ~ 39-54 mev A T = 70K, kt = 6 mev < Ei Le bruit ( shot noise ) associé au courant d obscurité est donné par : N dark = DR Δt 1 /2 Unité = e- rms Il existe également un bruit issu la non-uniformité du courant d obscurité de pixel en pixel.
Variation du courant d obscurité pour une valeur ΔT à une température donnée Evolution du courant d obscurité en fonction de la température
*Pixels «chauds» Un pixel est dit chaud, lorsque son courant d obscurité est largement supérieur à la moyenne. L origine de ces pixels chauds peut être multiple : impuretés ou défauts dans la structure cristalline du silicium défauts créés par le rayonnement (protons, neutrons et photons) Image montrant des pixels chauds La réduction de la température est le seul moyen pour minimiser leur impact.
*Correction du courant d obscurité et de la non-uniformité de réponse Un pixel d une image brute prise par une caméra CCD sur un temps de pose Δt est donc la somme des composantes suivantes : Valeur = Bias + thermique + photon * réponse * Δt (1) La valeur du signal dans un pixel d une image prise dans le noir ( dark ) sur le même Δt correspond à : Dark = Bias + thermique (2) Pour visualiser les effets de la non-uniformité de réponse, on peut faire une image sur une plage de lumière uniforme sur le même Δt. On appelle cette image un flat. Un pixel du flat contient : Flat = Bias + thermique +constante * réponse * Δt (3) Le dark et le flat permettent de corriger l image brute par la formule suivante : photon = (Valeur - dark) / (flat - dark) (4) C est l image prétraitée.
Image avant correction Image avec correction
! Les images de dark et flat doivent être prise avec le même temps de pose Δt pour avoir des niveaux de fluctuations statistiques représentatives de l image brute. Cf. TP CCD optique 3 Effet de smearing Effet lié à la lecture des CCDs. cf. TP CCD imagerie pour voir comment y pallier.
4 - Problème de luminescence Il en existe de plusieurs types : pré-ampli (amplifier luminescence) pixel registre (clocking luminescence) * Luminescence du pré-amplificateur Parfois visible dans les images de dark proche de la sortie du pré-ampli. Le chauffage du registre par le pré-ampli n est pas la cause. Image à balayage électronique d un FET montrant l émission de lumière dans le canal. Luminescence due aux photons IR produit dans le canal du MOSFET (mini-avalanche du fait du grand champ électrique dans cette région) + diffusion. Pour y pallier, on peut couper l alimentation du drain pendant le temps d intégration. Par contre, il est essentiel de l alimenter pour la lecture de la CCD.
* Luminescence du registre (horizontal et/ou vertical) La luminescence du registre est observée pour certains CCD utilisant un oxyde de SiO2. Elle est observée sur les lignes de la CCD les plus proches du registre. Son intensité diminue exponentiellement dans la direction du centre du capteur. Son origine est probablement liée au cadensement des horloges du registre pendant le temps d intégration (pour éviter l accumulation d électrons produits par agitation thermique) : cela pourrait créer des électrons chauds (grande énergie cinétique) dans l oxyde. ces électrons chauds généreraient un rayonnement IR suite aux collisions dans l oxyde. ces photons IR seraient absorbés par les lignes de la matrice CCD. la quantité de charges produite augmente avec la fréquence de cadensement et la diminution de la température.
Images montrant la luminescence du registre
* Luminescence du pixel C est la forme la plus sérieuse de luminescence. Elle est associée a un court-circuit d un pixel. L origine de ce court-circuit peut être due à un stress occasionné par une polarisation trop importante d une électrode ou une décharge électrostatique rapide. Image montrant la luminescence de 2 pixels Le court-circuit peut apparaître de manière soudaine. On parle alors de court-circuit latent. Solutions: changer la CCD la polarisation ajuster électrodes des
5 - Seam noise Les CCDs à lecture rapide utilisent plusieurs amplificateurs pour la lecture, chacun lisant une portion des charges de la matrice CCD. Ce type de lecture en parallèle est efficace, mais souffre d un problème majeur appelé seam noise. Ce bruit provient du fait que chaque amplificateur présente ses propres caractéristiques de gain, d offset et de non-linearité. Ceci crée différentes zones dans l image numérique (cf. exemple au transparent suivant). L oeil est très sensible à ce type de bruit. Ainsi, pour un image avec un flux homogène, l oeil est capable de détecter une différence de signal entre 2 pixels de seulement 0,2%. La correction de ce bruit est très délicate car il faut compenser pour les différences de gain, d offset et de non-linéarité.
Image montrant l effet du seam noise pour différents rapports signal sur bruit
6 - Bruit de quantification au niveau du CAN Signal numérique (DN) Soit un CAN idéal, sa fonction de transfert est donnée ci-dessous : Signal d entrée (V) Chaque palier de la réponse en escalier du CAN est donné par : G= N CAN V in G a les unités de DN/V (DN = digital number i.e. un nombre) Vin est la tension en entrée du CAN et NCAN est le nombre de palier du CAN avec NCAN = 2N-1 (N = nombre de bits pour le codage).
Lorsqu un signal analogique (tension) est numérisé en valeur discrète, une incertitude est introduite au moyen du codage. Cette incertitude est le bruit de quantification. Le bruit de quantification est égal à : QN (DN) = 12-1/2 Si on veut convertir ce bruit en e- rms, on a : QN /DN) avec K le gain ou sensibilité de la caméra. (e-) = 0,288675 K(e- Ce bruit doit être pris en compte dans le bruit de lecture de la chaîne analogique. Le bruit total de la chaîne est alors donné par : N e = Q N e +R2 e 2
Augmentation du bruit de lecture Augmentation du bruit de lecture Images montrant la disparition du bruit de quantification lorsque le bruit de lecture aléatoire augmente.
Le bruit de quantification devient negligeable par rapport au bruit de lecture lorsque K (e-/dn) = R (e-). Le nombre de paliers requis pour coder la charge maximale d un photo-site i.e. Q = SFW (puits plein) est donné par : S FW e N CAN = K e / DN S FW e Dans ce cas, on a : N CAN = R e dynamique de la caméra CCD. et NCAN correspond alors à la Le nombre de bits requis pour coder NCAN est : N bit = log N CAN log2
7 - Bruit dû aux interférences électromagnétiques Les connections entre la CCD et la chaîne électronique peuvent interférer par couplage inductif ou capacitif ; ce qui induit du bruit sur l image. Les ondes électromagnétiques émises par les appareils électroniques peuvent induire des bruits sur l image. Les problèmes de masse de la chaîne électronique peuvent également créer des interférences. Il existe plusieurs techniques permettant de s affranchir de ces interférences : le blindage des connections ; le blindage de la caméra aux rayonnements électromagnétiques externes ; le découplage des différents étages de la chaîne au moyen de capacités de découplage.
Image montrant l influence des interférences électromagnétiques
8 Fuite de lumière Image d un dark prise avec une CCD. Un fer à souder refroidissant dont la lumière était invisible à l oeil se trouvait dans le champ de vue de la caméra. Le rayonnement IR du fer à souder a créé des paires électrons/trous. L image du fer à souder est visible sur l image de dark. Pour éviter ce genre de problème, on peut utiliser des filtres.
cf. TP CCD imagerie Effet de blooming = le puits de potentiel atteint sa capacité maximale. 9 Effet de saturation et blooming Les électrons débordent et se répandent verticalement sur les pixels voisins principalement. Un effet de blooming horizontal peut apparaître si les puits de potentiel dans le registre horizontal saturent.
C eff V CB La capacité dans le régime de blooming est donnée par : Q B= q avec q, la charge de l électron VCB = VC VB où VC = potentiel de collection & VB = potentiel de barrière Ceff, la capacité effective de stockage = capacité entre l électrode et le centre du paquet de charges V B VC QB = quantité de charges stockées dans la capacité Ceff nécessaire pour produire un changement de tension de VCB Volts. L augmentation de VCB induit une augmentation de la capacité de stockage jusqu à un certain point. L augmentation de VCB induit également un déplacement du maximum du puits de potentiel Vmax vers la surface de la CCD. Dans ce cas, la différence entre le potentiel de surface VS et Vmax diminue.
Du fait de la proximité de la zone de stockage des électrons avec l interface Si-SiO2, une fraction des électrons va être piégée à cet interface par les défauts profonds. Cet effet apparaît quand le puits de potentiel est plein. La capacité de stockage SFW peut être différente de QB. En pratique, on s arrange pour que SFW = QB. Moyens de limiter l effet de blooming : Clocked anti-blooming Vertical outflow drain Lateral outflow drain
Vertical outflow drain Création d une barrière de potentiel dans la structure verticale du photo-site (substrat). La hauteur de cette barrière est plus petite que celle entre pixels. Lorsque les électrons s accumulent dans le puits de potentiel et finissent par atteindre la hauteur de cette barrière, ils sont évacués vers le substrat. Avantages : Obturation électronique Très bonne efficacité de collection, car il n y a pas de région libre de champ Désavantages : Coûts Complexité de fabrication Diminution de la capacité de stockage du photo-site Pas aussi efficace que LOD
Lateral outflow drain Création d un drain insensible à la lumière sur une partie du photo-site. Lorsque les électrons s accumulent dans le puits de potentiel et finissent par atteindre la hauteur de la barrière antiblooming, ils sont évacués par le drain. Région dopée N+ Avantages : Capacité de stockage plus grande que pour les CCDs avec vertical outflow. Obturation électronique par contrôle de la hauteur de la barrière antiblooming. La barrière anti-blooming peut également être réalisée Désavantages : Réduction de la surface photo-sensible à partir d un dopage P-. du photo-site (taille ~ 2,5-3μm) Réduction de la sensibilité
Clocked anti-blooming Soit une CCD 3 phases opérée dans le régime SFW avec V3=-V, V2=-V & V1=+V Les charges vont s accumuler sous l électrode 1. Lorsque le puits est presque plein, une partie des charges stockées va être piégée par les défauts de surface à l interface Si-SiO2. Avant que l effet de blooming n apparaisse, les charges sont transférées de l électrode 1 à l électrode 2. Les électrons piégés par les défauts vont alors recombiner avec les trous.
Les charges vont maintenant s accumuler sous l électrode 2 et une fraction des charges va être piégée par les défauts de surface. Avant que l effet de blooming n apparaisse, les charges sont transférées des électrodes 2 vers 1. Les électrons piégés vont recombiner avec les trous. On recommence cette opération jusqu à la lecture du CCD. Le taux d électrons recombinés = le taux d électrons produits dans le puits de potentiel
10 Aliassage («aliasing») Une image est composée d un ensemble de hautes et basses fréquences. Les hautes fréquences spatiales dans une image sont créées soit par des éléments de petites tailles, soit par des changements d intensité importants entre pixels contigus. Image haute fréquence obtenue après l application d un filtre basse-haut
Une caméra CCD effectue un échantillonnage de l image observée. La fréquence d échantillonnage de la caméra est limitée par la dimension des photo-sites Δp. La fréquence de Nyquist de la caméra est : FN = 1/(2Δp). La fréquence de Nyquist est définie lorsque pour un signal sinusoïdal sa période couvre sur 2 photo-sites. pixel pixel fréquence de Nyquist
Les fréquences F dans l image supérieures à la fréquence de Nyquist de la caméra ne seront pas bien échantillonnées par celle-ci. Exemple d alias apparaissant dans un signal Ceci génère des signaux artificiels dans l image avec des fréquences FFN. Ces signaux parasites sont appelés alias et le phénomène est appelé alissage ou aliasing en Anglais. Afin de pallier à ce problème, on rajoute souvent un filtre antialissage sur la lentille de la caméra. Ce filtre va diminuer le nombre de hautes fréquences spatiales en floutant l image. Le revers de la médaille est que les bords sont moins nets.
Même image prise avec une caméra munie d un filtre anti-alissage et une autre qui en est dépourvue.
11 Aberrations chromatiques * Aliasing chromatique L aliassage chromatique est dû au filtre couleur présent sur la CCD. Une ligne blanche sur un fond noir sera interprétée comme une ligne composée de pixels associés aux couleurs primaires du filtre utilisé (ici le filtre Bayer). A l écran, la ligne blanche apparaîtra alors en couleur! Illustration sur la photo où l on peut voir que la restitution des couleurs des cheveux n est pas parfaite.
* Purple fringing Le terme purple fringing fait référence à un type d aberrations chromatiques souvent observé en photographie. Sur les CCDs et les capteurs CMOS, ce type d aberrations chromatiques peut avoir plusieurs origines. Une des causes vient des micro-lentilles utilisées pour focaliser la lumière. Ces lentilles sont en général calibrées pour focaliser la lumière verte. Les lumières rouge et bleue seront alors incorrectement focalisées. C est un problème qui est uniforme sur les caméras. Il est plus sévère sur les caméras avec de petits pixels. L autre origine peut venir du démosaïquage dépendent du type d algo utilisé. cf. deux exemples
Exemple d aberration chromatique de type purple fringing
Exemple d aberration chromatique de type purple fringing
De petits détails colorés de l image observée peuvent souvent apparaître comme des aberrations chromatiques. En fait, il s agit d une mauvaise restitution de la couleur de ces détails du fait que leurs petites tailles ne permettent pas de couvrir toutes les couleurs du filtre. Le démosaïquage peut aggraver plus ou moins fortement ce problème.
12 «Pixel Vignetting» Le vignettage correspond à une réduction de la brillance d une image ou à une saturation sur les bords de l image par rapport au centre. Pixel vignetting affecte seulement les caméras digitales. La lumière incidente arrivant à angle droit sur un photo-site produit un signal plus fort que la lumière arrivant à des angles plus faibles.
La plupart des caméras numériques ont un programme d imagerie permettant de compenser les effets de vignettage dû au pixel et au système optique. L utilisation de micro-lentilles permet de réduire l effet de vignettage dû au pixel.