ESE23_Audier2
publicité
ESE22 "Formation, Capture et Restitution d’images" Systèmes d’imagerie & 0 Sommaire Première partie I. Propriétés de l’œil humain II. Les standards de télévision III. Prise et restitution d’image IV. Fonctionnement des CCD Seconde partie IV. Fonctionnement des CMOS (APS) V. La couleur VI. Intensificateurs de Lumière (I.L.) VII. Memo de photométrie 1 I. Œil humain 1. Physiologie 2. Sensibilité 3. Résolution 4. Synthèse 2 I. Œil humain 1. Physiologie 2. Sensibilité 3. Résolution 4. Synthèse 3 1. Propriétés de l’œil humain Adaptation à l’éclairement : Physiologie Rétine Cellules visuelles : Cônes (x 6 à 7 M): vision colorée mais seulement par fort éclairement Batônnets (x100M): vision achromatique même par faible éclairement 4 Contraction / dilatation de l’iris Modification du diamètre de la pupille 1. Propriétés de l’œil humain Sensibilité Vision de jour (grâce aux cônes) : courbe photopique Max à = 0.56µm (vert - jaune) Vision de nuit (grâce aux bâtonnets) : courbe scotopique Max à = 0.51µm (bleu - vert) 5 1. Propriétés de l’œil humain Résolution Pouvoir de résolution moyen: env.1min d’arc Vision exprimée en 10ième: 1/résolution: 10/ 10ième 1’ d’arc 14/ 10ième 0.7’ d’arc Champ de visibilité à bonne résolution < 2° (120min d’arc) Test d’acuité visuelle 6 II. Prise et restitution d’image 1. Chaîne image 2. Origine du standard vidéo 3. Divers standards vidéo et TVHD 4. Histoire de la prise d’image 5. Concept capteurs 7 1. Chaîne image Optique Collectrice de flux Détecteur Absorbe les photons et génère des électrons puis les convertit en tension Unités de traitement et de mise en forme de l’image Système de visualisation 8 2. Origine du standard vidéo FORMAT IMAGE Vision binoculaire Choix d’un format rectangulaire horizontal Limitation technologique des premiers imageurs (tubes circulaires VIDICON) et compatibilité avec le standard cinéma (carré à l’origine) •L'académie américaine du cinéma (Academy of Motion Picture Arts and Sciences) définit en 1929 un nouveau standard, plus esthétique qu'un format carré, : le format 1,375:1 géométriquement exact, 4 sur 3 retenu dans la projection, appelé format « Academy ». (Resté en vigueur 4 jusqu'aujourd'hui!) Format image = 4/3 3 9 5 2. Origine du standard vidéo Caractéristique typique de la vision Résolution angulaire 1’ d’arc (1/60°) Angle de vision à bonne résolution < 2° (120 ’ d ’arc) rétine fovéa H Oeil D=4H Vision confortable si la distance d’observation D : D = 4x Hauteur de l’image observée dimension angulaire totale de l’image (arctg(1/4)= 14° (840 ’ d ’arc) 10 2. Origine du standard vidéo NOMBRE DE LIGNES RETENU : Dans toute portion de champ visuel de 2° : Résolution angulaire de l’œil = 1’ d’arc Résolution de l’œil = 1/800 de la hauteur d’image Pour ne pas voir la structure lignée de l’image : choix d’un nombre de lignes voisin de 800 1ères TV en France à 819 lignes standard SECAM Par expérience : 500 lignes suffisent (structure des lignes visible mais non gênante) Compteur par tubes triode 625 lignes 11 standard PAL 2. Origine du standard vidéo FREQUENCE DE RAFRAICHISSEMENT (Image rafraîchie périodiquement) Tubes à rayons cathodiques (TRC) Choix de fréquence de rafraîchissement égale à la fréquence du secteur, multiple ou sous-multiple Choix en Europe : 50 ou 25 images/seconde Phénomène de papillotement : Pour un niveau lumineux de l’écran donné, existence d’une fréquence critique de rafraîchissement en deçà de laquelle l’œil perçoit un papillotement 12 2. Origine du standard vidéo Phénomène de papillotement (suite) Hz Courbes valables pour un champ de vue étroit, et une rémanence d’écran du type TV couleur à TRC Fréquence critique d’apparition du papillotement (Hz) 70 60 50 Le papillotement n ’est pas visible 40 30 Le papillotement est visible 20 0,1 1 100 10 Luminance de l’image (Cd/m2) 1000 Cd/m² Vision confortable pour une luminance 100 Cd/m2 Fréquence de rafraîchissement minimale = 50Hz 13 2. Origine du standard vidéo BANDE PASSANTE Restriction de la bande passante allouée par le CCIR* pour la transmission TV à 6MHz contre les env. 12MHz nécessaires (Nb lignes x Nb colonnes x fréquence trame) Conséquence : Fréquence image de 50Hz trop rapide pour la techno et la BP Invention du balayage la bande passante vidéo entrelacé permettant de diviser par deux *Comité Consultatif International des Radio-télécommunications aujourd’hui nommé UIT-R (Unité Internationale des Télécommunication) 14 2. Origine du standard vidéo ENTRELACEMENT de deux trames Début trame paire Début trame impaire Image (Frame) Trame paire (Odd field) Trame impaire (Even field) Fin trame paire 15 Fin trame impaire 2. Origine du standard vidéo ENTRELACEMENT Avantages : Bien adapté aux TRC, grâce à la rémanence du tube Effacement progressif (ligne par ligne) de chaque trame avant l’arrivée de la trame suivante Répond aux contraintes de limitations technologique et de bande passante limitée Inconvénients : Rémanence de scène à défilement rapide Distorsions des incrustation de caractères alphanumériques Exemple de l'effet de peigne sur un travelling latéral. L'image du bas, progressive, n'a pas ce défaut 16 3. Standards vidéo • Standard Européen pour la télédiffusion (Entrelacement d’ordre 2 à 50Hz Nb lignes / image Lignes/cols utiles Durée totale ligne Durée utile ligne 625 575/768 64 µs 52 µs • Standard industriel américains haute résolution (Norme EIA : RS 343A) : Entrelacement d’ordre 2 à 60Hz Standard défini pour applications médicales et avioniques (observateurs plus proche de l’écran) 17 Nb lignes / image Nb lignes utiles Durée totale ligne Durée utile ligne 675 729 875 945 1023 624 674 809 874 946 49,38 45,72 38,09 35,27 32,58 42,38 38,72 31,09 28,27 25,58 3. Standards vidéo Télévision haute définition Désir d'accroitre les dimensions de l'image sans modifier la distance d'observation (gain > 22%) Les travaux commencent en 1968 au Japon Consensus international sur le doublement de la résolution (625 lignes -> 1080 et un format de 16/9 en 1980 Longue attente: Développement nécessaire des techniques et équipements de production Etablissement de la crédibilité du téléviseur HD Incompatibilité avec le parc existant .... Le déblocage: 18 Révolution dans la micro-électronique (grandes matrices de photodétecteurs, écrans TFT, ...) Révolution dans les algorithmes de traitement d'image .... 3. Standards vidéo Progressive vs Interlaced scan? Les normes vidéo modernes de la télévision numérique ont abandonné l'entrelacement au profit de techniques d'affichage par défilement progressif La numérisation de l'image et sa transmission ont été rendues possibles grâce aux progrès de la compression. La compression doit rendre le flux compatible avec le débit de la transmission, sans détériorer l'image de manière visible La TNT reposait initialement sur l'emploi de la norme MPEG2. Cette norme ne permet pas d'utiliser la haute définition avec la bande passante de la TNT. L'avènement de chaînes en MPEG4 permet depuis fin 2008 de profiter de la haute définition sur la TNT 19 -Code LES DIFFÉRENTES RÉSOLUTIONS DE L'IMAGE TÉLÉVISÉE Qualité Résolution pixels/image -480i -480p -720p -1080i -1080p SDTV EDTV HDTV HDTV HDTV 720x483 720x483 1280x720 1920x1080 1920x1080 236.544 337.920 921.600 2.073.600 2.073.600 Entrelacé Progressif Progressif Entrelacé Progressif 3. Standards vidéo HD ready, HD TV, True HD, Full HD, HD Ready 1080p, HD TV 1080p, ……. HD Read Le label HD Ready, le plus ancien (19 Janvier 2005), disparaît progressivement. Depuis décembre 2008 les TV doivent obligatoirement intégrer un tuner TNT HD (MPEG4), ce que le label initiale HD Ready n'obligeait pas. Une TV LCD (ou plasma) est labellisée HD Ready quand elle est : - 16:9 : Un format visuel en 16:9 - HDMI : Présence d'une entrée numérique HDMI (High Definition Multimedia Interface) ou DVI (entrée HD) - HDCP : Entrée(s) numérique(s) compatible(s) HDCP (protection des données contre la copie des films Blu-Ray : High Bandwidth Digital Content Protection) - YUV : Présence d'une entrée analogique YUV (CCIR 601), modèle de représentation de la couleur dédié à la vidéo analogique. - 720 lignes :Résolution d'au moins 720 lignes (format HD), soit couramment 1280x720 ou 1366x768 - 720p/1080i:Accepter des flux vidéo en 720p (progressives) et 1080i (entrelacées) en 50/60 Hz. 20 3. Standards vidéo HD TV 1080p Défini depuis Septembre 2007 avec le label HD Ready 1080p, une TV LCD (ou plasma) est nommée HD TV 1080p quand elle est : - - HD Ready : toutes les contraintes du label HD Ready Avec en plus : - 1080 lignes : - 1080p : - 24 Hz : - Tuner HD : Résolution d'au moins 1080 lignes, soit couramment du 1920x1080 Accepte des flux HD 1080 lignes entrelacés et progressifs en 50/60 Hz Accepte des flux HD 1080 lignes progressifs en 24 Hz Présence d'un tuner HD compatible MPEG4, pour recevoir les flux vidéo HD (720p ou 1080i) •Depuis fin 2008 nous pouvons recevoir des chaînes TNT HD gratuites en MPEG4. •Le format théorique généralisé en France et en Europe est le 1080i (mais ce n'est pas une obligation, cela pourra être également en 720p). 21 IV. Prise d’image 1. Photographie de l’histoire de la technologie 2. Concept physique de la détection 3. Flash sur le tube de prise de vue (VIDICON) Correspond à la caméra de télévision traditionnelle à tube 4. Concept cellulaire du capteur d’image à l’état solide 22 1. Histoire de la prise d’image Thomson-CSF General Electric (CID) Fairchild RCA 256x256 Fairchild 100x100 Brevet CCD Philips et Bell Labs 10x10 1969 Thomson-CSF 576x768 Sony 576x500 1991 1974 1976 Domination des tubes Iconoscope Image-orthicon Vidicon Plumbicons 23 CMOS Mega pixels High perf 1985 Foveon (CMOS) 4096x4096 2001 MICRON SONY FAIRCHILD etc... >= 2008 Domination de l'état solide Qualité des CCD > celle des tubes CMOS 2. Concept physique de la détection Effet photo-électrique : génération d’électrons, lorsqu’un matériau est exposé à un flux lumineux d ’énergie suffisante Bande de conduction Photon (hc/) (électrons libres) eEc Gap Ev Atome Bande de valence (électrons liés) 24 hc/ > Ec-Ev 2. Concept physique de la détection Effet photo-électrique (suite) L'absorption d'un photon permet à un électron de franchir le gap entre bande de valence et bande de conduction Transition possible si l’énergie du photon est supérieure au gap : hc/ > Ec-Ev Ec : niveau d ’énergie minimum de la bande de conduction Ecv : niveau d ’énergie maximum de la bande de valence h : constante de planck c : vitesse de la lumière : longueur d’onde de la lumière incidente Pour le Silicium Ec-Ev = 1.12eV Coupure haute : c<1.1µm 25 3. Flash sur le tube de prise de vue •Les tubes de prises de vues: Technologies obsolètes VIDICON (1950) Ampoule de verre servant d'enceinte à vide, contenant: • Une cible constituée par couche photo conductrice (trisulfure d'antimoine ou silicium déposée au dos d'une face de verre ou de quartz) dont la conductivité augment avec l’exposition lumineuse • Un faisceau d'électron utilisé pour lire l'image électrique formée sur la couche photoconductrice 26 4. Concept cellulaire du capteur Photodiode Photons Photogate Poly-Si = électrode transparente + + + +++ photons SiO2 (isolant) poly-Si n+ Si = substrat (Semi-conducteur) Application d’un potentiel sur l’électrode semi-transparent Création d’un puits de potentiel Traversée de l’électrode par les photons et génération de paires électrons-trous dans le substrat (effet photo-électrique) Electrons potentiel piégés dans le puits de CCD transfert de trame Actives Pixels Sensor 27 + - Si p zone de charge d'espace Jonction polarisée en inverse • Une zone de charge d'espace se développe autour de la jonction • Un champ électrique réalise la séparation des porteurs Si la couche N suffisamment fine en surface, les photodiodes ont une meilleures sensibilité dans le bleu que les photoMos et conviennent mieux aux applications couleur CCD interlignes Actives Pixels Sensor 2. Intégration (ex: photogate) E 28 4. Concept cellulaire du capteur Capteur d’image : Matrice constituée de plusieurs centaines de milliers de récepteurs photo-sensibles (photodiode ou photogate), appelés pixels (Picture Element) CCD Les sorties électrique des récepteurs sont multiplexées pour former un signal vidéo La résolution de l'image est liée au nombre de photosites: de 350 000 pour une résolution VGA de 640x480 à 3.3 megapixels pour 2048x1536 , voire plus. 29 IV. Fonctionnement des CCD 1. Introduction 2. Intégration 3. Transfert 4. Multiplexage Matriciel 5. Architectures 6. Étage de Sortie 7. Pour aller un peu plus loin 8. Mode d’entrelacement 9. Artéfacts 30 1. Introduction CCD = Charge Coupled Device (DTC : Dispositif à Transfert de Charges) Deux étapes dans la capture d’images: INTEGRATION Absorption des photons incidents pendant une durée donnée, et génération de paires d’électrons-trous Accumulation des électrons (ou trous) dans un « puits de potentiel » LECTURE Transfert des charges de chaque pixel de proche en proche CCD 31 3. Principe du Transfert V V2 V1 V3 Fermeture du puits de potentiel sous V2 V2 V3 Ouverture du puits de potentiel sous V3 V1 Amorce du transfert des charges électriques V3 Transfert de charges terminé V2 V1 32 3. Transfert Registres à décalage HORLOGES Ligne à retard S E HORLOGE Démultiplexeur E t S1 Sn S2 HORLOGE S Multiplexeur (Registres à décalage de lecture CCD) E1 33 E2 En 4. Multiplexage matriciel N registres verticaux et 1 registre horizontal = matrice CCD Acquisition image Lecture Matrice CCD R O U G E J A U N E R O U G E M A U V E J A U N E M A U V E Chargement dernière ligne dans Registre horizontal A chaque cycle d’horloge verticale (Fv): Transfert de l’ensemble des charges d’une ligne vers la ligne suivante Transfert des charges de la dernière ligne de la matrice vers le REGISTRE HORIZONTAL 34 4. Multiplexage matriciel Registre horizontal R O U G E R O U G E J A U N E J A U N E M A U V E M Etage de sortie A Sortie dernière ligne par Registre horizontal A chaque cycle d’horloge horizontale(Fh Fv x Nb lignes) : Transfert des charges dans le registre horizontal À la sortie du registre, transfert des charges vers l’ETAGE DE SORTIE puis conversion du nombre d’électrons en tension électrique 35 5. Architectures Deux zones distinctes: La ZONE SENSIBLE Lieu de conversion photon-électrons et d’intégration temporelle des charges La ZONE MEMOIRE / de TRANFERT Lieu de transfert et stockage des charges en vue de leur « lecture » par l’étage de sortie Choix d’architecture de CCD tributaire de l’application : 36 Photo Vidéo Mode entrelacé ou non Avec ou sans contrôle de la durée d’intégration Rapidité de lecture Résolution 5. Architectures 3 grandes architectures : CCD Pleine trame (Full Frame CCD) CCD Transfert de trame (Frame Transfer CCD) CCD Transfert interligne (Interline Transfer CCD) 37 3. Architectures CCD Pleine trame: Pas de zone mémoire Lecture via cellules photosensibles (Full Frame CCD: FF) INTEGRATION Registre de sortie 38 1/ Transfert d’une ligne complète vers le registre horizontal (RH) 2/ Décalage dans le RH vers l’étage de sortie 3. Architectures CCD Pleine trame (suite) Zone sensible zone de transfert Utilisable uniquement en mode « PHOTO » (une seule acquisition) Avantages : Grande taille de surface sensible Temps d’intégration élevé mais modulable Sensibilité et dynamique élevées Inconvénients : 39 Temps d’intégration nécessairement long ou utilisation d’un obturateur mécanique Cadence vidéo impossible 3. Architectures CCD Transfert de trame: Zone mémoire avant lecture INTEGRATION puis transfert rapide en zone mémoire (Frame Transfer CCD: FT) 1/ Transfert rapide de la Zone mémoire Zone sensible INTEGRATION RH 40 zone sensible vers la zone mémoire aveugle 2/ Intégration suivante + lecture de la zone mémoire 3. Architectures CCD Transfert interligne: Zone mémoire associé à chaque pixel (Interline Transfer CCD: IT) INTEGRATION puis LECTURE rapide 1/ Transfert rapide de la zone sensible vers la zone mémoire INTEGRATION Zone mémoire Zone sensible 41 2/ Intégration suivante + lecture de la zone mémoire 3. Architectures CCD à Transfert (de trame, interligne ou transfert interligne de trame) Zone sensible et zone mémoire aveugle séparées Intégration et lecture simultanés POSSIBLE Utilisable en mode vidéo Avantages : Obturation mécanique NON nécessaire Cadence élevée possible Inconvénients : 42 CCD à transfert de trame : doublement de la taille du capteur à définition égale CCD à transfert interligne : perte en surface de zone sensible 5. Architectures Éclairage Face Arrière (= Backside Illuminated) Front Side Illuminated Exemple : Fairchild CCD486 43 Back Side Illuminated 6. Étage de sortie Vref CL 1- Fermeture de Q1 (Reset) : Précharge de la diode flottante CL Vref 2- Ouverture de Q1 :Potentiel de la diode flottante diminue et « flotte » 3- Fermeture de la porte de transfert « fG »: Transfert des charges vers la diode flottante « CL »: Potentiel de la diode diminue d’une quantité V équivalente à la charge Q 4- Lecture de ce potentiel par un ampli de tension suiveur 44 6. Étage de sortie Double échantillonnage corrélé: suppression du bruit associé à l’initialisation de la diode flottante L2 R 1er Ech 2eme Ech Reset Diode Flottante Signal Utile: (2eme Ech - 1er Ech) Durée d’un pixel 45 Vout 7. Pour aller un peu plus loin Colonnes masquées pour la génération d’une référence par ligne 46 7. Pour aller un peu plus loin : EMCCD Architecture (TEXAS, E2V) • Transfert de trame • Interligne-transfert de trame • Multiplication par avalanche en sortie (G1.02/étage) • 400 (G~2800) à 700 (G~106) étages de multiplication 47 7. Pour aller un peu plus loin : Comparaison de technologies L’optimum dépend du bruit du capteur CCD/CMOS Les progrés des capteurs permettent de le diminuer Selon ANDOR ! 48 8. Modes d’entrelacement Deux modes de lecture: Mode progressif: Lignes de pixels lues séquentiellement Développé pour des applications scientifiques, indépendantes des standards vidéo Mode entrelacé 49 Lecture alternée des lignes paires et impaires Compatibilité standards TV 8. Modes d’entrelacement CCD destinés à la vidéo / TV 2 contraintes : Entrelacement de 2 trames pour former une image Fonctionnement à 50 Hz (ou 60Hz) : 1 image complète toutes les 2x20ms (resp.17ms) 2 modes d’entrelacement possibles : 50 Mode entrelacé Mode pseudo-entrelacé 8. Modes d’entrelacement Mode Entrelacé Trame A : lignes paires Trame B : lignes impaires Trame B Trame A L1 L2 L3 L4 L5 Peu de CCD permettent ce type de fonctionnement 51 8. Modes d’entrelacement Trame A Mode Pseudo-entrelacé Trame A : somme de 2 lignes adjacentes, départ sur L1 : (L1 + L2), (L3+L4),… Trame B : somme de 2 lignes adjacentes, départ sur L2 : (L2 + L3), (L4+L5),… L1 L2 L3 L3 + L4 L4 L5 Trame B L1 L2 L2 + L3 L3 L4 L5 Perte de résolution verticale 52 L1 + L2 L4 + L5 9. Artéfacts dans l’image CCD Artéfacts dans l’image : Pollution pixel à pixel (Cross-talk) Eblouissement (Blooming) Pollution de transfert (Smearing) Mauvaise efficacité de transfert 53 9. Artéfacts dans l’image CCD Distance la surface(nm) (µm) d’absorption Profondeurde Pollution pixel à pixel (Cross-talk) perte de netteté 54 Pénétration des photons « bleus » sur quelques nanomètres Pénétration des photons « rouges » sur quelques micromètres 4 1 .10 Diffusion des charges, créées en profondeur, vers les pixels voisins Profondeur de pénétration des photons dépendante de la longueur d’onde : Profondeur d'absorption 1 .10 3 100 10 400 0.1 600 800 1000 1200 Longueur d'onde (nm) Photons f2 f1 e Pas de -crosstalk e Pixel A - f2 f1 Crosstalk Pixel B f2 9. Artéfacts dans l’image CCD Eblouissement (Blooming) Débordement d’un pixel sur ces voisins lorsque l’éclairement est supérieur à l’éclairement de saturation Débordement généralement préférentiel dans le sens des colonnes L’étendue de la zone parasite augmente avec le sur-éclairement 55 9. Artéfacts dans l’image CCD Drain anti-éblouissement (Lateral Overflow Drain ou Anti-blooming) Système d’évacuation des charges en excès Drain latéral Placé verticalement le long des registres verticaux Avantage : Très efficace (pas d’éblouissement jusqu’à Q = 1000 x Qsat) Inconvénient : Perte en zone sensible Perte en résolution Drain enterré (le plus utilisé !) Couche enterrée disposée sous les photosites Avantage : dimension de la zone sensible conservée Inconvénient : modification de la courbe de sensibilité spectrale du CCD (perte de sensibilité dans le PIR) ( Mais solution adaptée à la couleur : La sensibilité dans le PIR fausse les couleurs) 56 9. Artéfacts dans l’image CCD Pollution de transfert (Smearing) Pollution lors du transfert des charges issues d’un pixel plus fortement éclairé que ses voisins Origines : Intégration pendant la lecture Dans les CCD pleine trame ou CCD à transfert de trame Pollution liée à l’illumination des pixels pendant le transfert vertical Solutions : 57 Utilisation d’un obturateur mécanique Choix d’un temps d’intégration >> temps de transfert Utilisation de CCD à transfert interligne IV. Fonctionnement des CMOS (APS) 1. Architecture 2. Les micro-lentilles 58 1. Architecture Objectif des CMOS APS Petit volume Consommation réduite (Senseur + électronique de gestion) Système d’imagerie fortement intégré ADC Compatibilité TTL Nouvelles fonctions de gestion du plan focal fenêtrage adressage aléatoire obturateur électronique Suppression d ’artéfacts: Smear, blooming Nouvelles capacités de détection 59 Réponse logarithmique, Imagerie rapide (1000Hz), …... 1. Architecture CMOS ( Complementary Metal-Oxide Semiconductor ) CMOS ou APS (Active Pixel Sensor) Au sein de chaque pixel : Zone sensible Conversion charge / tension Amplificateur suiveur Zone de traitement Fonctions complexes Intégrables au composant : 60 Zone sensible 1. Architecture Deux architectures concurrentes APS Photogate: APS Photodiode • Charges localisées sous grille semi-transparente en polysilicium • Fonctionnement faible bruit pour bas niveau d ’éclairement • Design économique • Application consumer Efficacité quantique: Conversion V/e-: Réduction de bruit (CDS): 61 PG < PG >> PG possible, 50% PD PD PD non Rolling Shutter 62 [Image tossthecam (cameratoss.blogspot.com)] Global Reset 63 1. Architecture : CMOS avec pixel 3-T – – – – Intégration signal Conversion charge/tension Bruit important :kTC FF faible pour les petits pixels • Couches de métaux • µ-lentilles 64 1. Architecture : pixel 4-T : « pinned photodiodes » TX p+ n+ 65 n+ Charges stockées en volume Permet de faire du CDS : Diminution forte du bruit kTC : 3e Réduction du FPN pixel 4T + antiblooming = pixel 5T 66 2. Les Micro-lentilles Micro-lentilles: Augmentation du taux de remplissage Permet la récupération de la surface optique de l’électronique associée 67 Synthèse : Capteurs d’image 68 IV. Comparaison des technologies CCD et CMOS (APS) 1. Complexité électronique de gestion / miniaturisation / consommation 2. Surfaces sensibles / artéfacts image 3. Pixels défectueux / bruits 4. Synthèse comparative 69 Comparaison CCD - CMOS 70 Comparaison CCD - CMOS 71 Architecture Camera CMOS 72 Comparaison des technologies CMOS et CCD Complexité de l’électronique CCD: CMOS : 73 Electronique de pilotage du CCD + complexe (horloges multiples,…) Adressage séquentiel des pixels Lecture obligatoire de toute la matrice Complexité de lecture (horloges) Cadence de lecture limitée par l’inefficacité de transfert de charges entre cellules Grande capacités d’intégration de composants sur pixels Possibilité d’adressage aléatoire et direct des pixels Possibilité de fenêtrage sur zone d’intérêt Temps de lecture courts: possibilité de cadence horloge élevée Comparaison des technologies CMOS et CCD Miniaturisation caméra CMOS: Intégration de fonctions multiples sur chaque pixel Intégration possible dans un seul boîtier de l’ensemble des fonctions d’une caméra Consommation CMOS : Faible consommation globale (+ électronique) Avantage pour appareils portable à petite réserve d’énergie (batteries) CCD : plus grande consommation globale (Pilotage de grandes capacités avec contrôle précis des temps de transition) 74 Comparaison des technologies CMOS et CCD Artéfacts sur l’image CCD : Risque de débordement d’un pixel sur ses voisins (smearing, blooming,… ) CMOS : 75 Meilleure résistance à l’éblouissement Pas de smearing (obturateur électronique) Comparaison des technologies CMOS et CCD Impact des pixels défectueux CCD : 1 pixel mort une colonne de l’image morte CMOS : 1 pixel mort un point de l’image mort Bruits Faible courant d’obscurité dans les CCD Bruit spatial élevé dans les CMOS : (un convertisseur par pixel) FPN (Fixed Pattern Noise) : dispersion de niveau en obscurité PRNU (Photo-Response-Non-Uniformity) : dispersion de réponse 76 Synthèse de Performances Œil Humain Réponse Spectrale 400-700 pic à 555 nm 20% Film 300 - 700 CCD 400-00 CMOS APS 400-00 50% 50% (diode) (90% backside) (90% backside) 1e4 lin 1e2 lin 10 …. 100 6e3 lin 1e6 log (non linéaire) 1e8 log 0.001 Lux 0 (virtuel) 1 Sensibilité limite 0.1 < 0.0001 poss. <0.001 poss. 10 100 10 (typ) 100 (typ) Bruit (photons) <1 (best) 3 (best) Très bonne Qualité cosmetique Excellente Moyenne (FPN) 15 30 typ (format Fréquence Trame prise de vue >> 100 TV) unique faible faible faible Couleur idéale (impression RGB) (RGB) (RGB) Très limité Elevé Traitement plan focal Très élevé aucun e 800 k typ 800 k typ Nb Pixels 120 M cones et 1 6 (typ) 90 M (record) à >16 M batonnets 10 – 0.01 g/µm² 20 ans 3 ans Temps de 500 M années 1 an développement QE (pic) (hors FF) dynamique 77 < 10% V. La couleur 1. Filtres de type Bayer 2. Concept Foveon 3. Caméras tri-capteurs 78 1. Filtage de BAYER: séparation des couleurs Filtrage optique sur chaque pixel: • Poids double du vert: sensibilité maximale de l’œil • Résolution spatiale déterminée par la composante de luminance et non par la chrominance 79 High sensitivity BW with Color information Pixels blancs (pour amélioration de la sensibilité)-bleu-vert-rouge Ou vert-vert-bleu-rouge ISSCC’08 80 Artéfacts Inconvénients du filtre de Bayer: 1. Perte de FTM 2. Perte de sensibilité 3. Dématriçage (calcul couleurs manquantes) 4. Aliasing coloré 5. ….. 81 2. FOVEON: séparation des couleurs (FOVEON X3) Dista nce dd’absorption e la surfac e (µm) Profondeur (nm) Filtrage par sélection de profondeur d’absorption 1 .10 4 1 .10 3 Profondeur d'absorption 100 10 400 0.1 600 800 1000 Longueur d'onde (nm) Avantages; • Réduction de la taille des cellules • Amélioration de la résolution • Technologie « bas coût » (absence de filtres optiques colorés) • Plus de calculs d’interpolation de couleurs (gain de rapidité) 82 1200 3. Tri-capteur: séparation des couleurs Utilisation de trois capteurs dédiés 83 3. Solution Tri-Capteur Ce système est constitué de 3 capteurs CCD ou CMOS pour chacune des couleurs primaires RVB : rouge vert bleu. Ce type de caméra est considéré comme la "rolls" des caméras couleurs et se retrouve surtout dans le monde professionnel de la production vidéo. Le fait de séparer à l’aide d’un système de prismes et de filtres les trois composantes permet une amélioration de la qualité de l’image et supprime les interférences. Les rayons pénétrant dans les prismes séparateurs traversent le premier prisme et sont filtrés à sa sortie par le miroir dichroïque bleu. Celui-ci va réfléchir seulement les rayons bleus et laisser passer les autres. Les rayons bleus vont alors être réfléchis par un miroir semi-transparent vers le capteur CCD bleu. Il en va de même dans le deuxième prisme pour les rayons rouges. Ne restent plus que les rayons verts qui traversent les trois prismes sans être perturbés. Comparaison d’un filtrage de Bayer(b) et d’une caméra triccd(a) 84 VI. Introduction aux Intensificateurs de Lumière (I.L.) 1. Propriétés de la vision de nuit 2. Architectures des I.L. 3. Caractéristiques des I.L. 4. Association avec un CCD / CMOS 85 Propriétés de la vision de nuit Propriétés de l’œil Accommodation de l’œil De 130 000 Lux (journée d’été ensoleillée) À 1 lux (pleine lune) Niveaux minimum requis Pour ce déplacer : Pour lire ou écrire : Pour un travail de bureau : Pour des tâches difficiles : 1 - 5Lux 150Lux 200Lux 800Lux Utilisation d’un système de vision de nuit de sensibilité typique 86 max = 1 à quelques Lux min = 0.001 à 0.0001Lux Niveaux d’éclairement Niveaux d’éclairement au sol typiques : Rappel : le « lux » est une unité de mesure de l’éclairement pondéré par la courbe de sensibilité de l’œil. Utilisable seulement pour la bande du VISIBLE Eclairements (LUX) 100000 10000 100 Conditions atmosphérique 87 Sans lune (ciel couvert) Lune couverte Lune couverte 0.0001 Sans lune (ciel clair) 0.001 Pleine lune (ciel clair) 0.01 Aube 0.1 Aube 1 Ciel couvert 10 Soleil au zénith (ciel clair) Eclairements (LUX) 1000 Architecture des I.L. Structure générale I.L de 1ère génération Ecran phosphorescent Photocathode + 10 à 15 kV Objectif Tube Intensificateur Oculaire Scène de nuit Photons Faisceau d’électrons Un objectif : collecte le flux sur la photocathode Un intensificateur d’image : 88 Une surface photo-sensible (Photocathode) : transforme les photons en électrons Un tube intensificateur : accroît l’énergie ou multiplie les électrons Un écran de visualisation : transforme les électrons en photons Un oculaire : adapte l’image à la vision par l’oeil Caractéristiques des I.L. Réponse spectrale des Photocathodes 89 Caractéristiques des I.L. Ecran, réponse des phosphores 90 Architecture des I.L. I.L de 1ère génération (suite) Possibilité de réaliser une cascade de plusieurs tubes Possibilité d’introduire des réseaux de fibres en entrée et en sortie amélioration du rendement de couplage Fibres optiques 91 Architecture des I.L. I.L de 2ème génération Introduction d’une galette de micro-canaux (MCP : Micro Channel Plate) Placée entre la photocathode et l’écran Constituée de tubes minces (< 10µm de diamètre) Réalisée dans un verre à forte émission secondaire Multiplication en cascade des électrons Galette de micro-canaux 92 Architecture des I.L. I.L de 2ème génération (suite) MCP : Gain en électron >> 106 entre l’entrée et la sortie du MCP Tension d’alimentation élevée, mais faible consommation Possibilité de contrôler le gain en fonction du niveau d’éclairement (en jouant sur la tension MCP) Diminution de l’encombrement de l’intensificateur Grandissement >1 93 Grandissement =1 Architecture des I.L. I.L de 3ème génération Utilisation d’une photocathode en AsGa beaucoup plus sensible I.L. de 4ème génération 94 Utilisation de photocathode à transfert d’électrons ?, sensibles dans le domaine Infra-rouge : 1 à 1.7µm Sortie numérique? Numérisation: Association avec un CCD Prise d’image avec un CCD I-CCD : Association d’un I.L. et d’un CCD I.L. de 1ère génération + CCD 95 I.L. de 2ème génération + CCD Numérisation: Association avec un CCD Prise d’image avec un CCD ou CMOS EB-CCD / EB-CMOS (Electron Bombardment –CCD/CMOS) 96 Photocathode + CCD/CMOS Forte tension appliquée Pas d’écran : les charges sont générées dans le silicium par bombardement électronique Performances globales du tube Rapport signal sur bruit (sans dimension) Défini sur un éclairement Eclairement équivalent au bruit Capacité au comptage de photons Résolution FTM Paire de lignes par mm (lp/mm) avec atténuation d’amplitude Sensibilité de la photocathode Qualité image Gain Luminance écran Durée de vie 97 µA / lm ou mA / W Efficacité quantique vs longueur d’onde MTTF (Mean Time To Failure) en heures Caractéristiques des I.L. Resolution Minimal Typical Maximal UNIT Type I 55 58 lp/mm Type II 60 64 lp/mm 2.5 lp/mm 92 % 7.5 lp/mm 80 % 15 lp/mm 58 % 25 lp/mm 38 % 30 lp/mm 30 % Limiting resolution PHOTONIS Technical specifications XD-4 technology image intensifiers Modulation Transfer Function: Signal to noise (@108µlx) 20 24 Phosphor: P20* MTTF (to S/N=12) Gain at 2.10-5 lx Max. Output Brightness 15.000 30.000/? 50.000/? 2 cd/m2/lx 17 cd/m2/lx µlx E.B.I. 0.15 0.25 Output uniformity at 2850K 2:01 3:01 80 95 Weight(18mm) 98 hrs grams Shock 500 Luminous sensitivity at 2850K 600 700 µA/lm Radiant sensitivity at 800nm 50 60 mA/W Radiant sensitivity at 850nm 40 50 mA/W g Partage du marché 99 Annexe 100 Caractéristiques des I.L. Grandissement : Rapport des dimensions de l’image sur l’écran de sortie et l’image en entrée de la photocathode Grandissement 1 Grandissement de 1 101 Caractéristiques des I.L. Distorsion : Ecart de la valeur du grandissement en périphérique (GP) et au centre de l’écran (Gc) D = 100 (GP – GC) / GC Grande essentiellement dans les I.L. de 1ère génération Gain en luminance : Rapport entre la luminance de l’écran de sortie et de l’éclairement de la photocathode Exprimé en (Cd/m²)/Lux GL= LECRAN / EPHOTOCATHODE Résolution : Exprimée en paire de ligne par millimètre (pl/mm) 102 Caractéristiques des I.L. Sources de bruit Dans les I.L. de 1ère génération : Bruit essentiellement photonique RSB = (η.Nphot)1/2 avec : η = rendement quantique Nphot = Nombre de photons incidents Dans les I.L. de 2ème et 3ème génération : Bruit photonique Galette de micro-canaux : multiplication du bruit par un facteur 3 constant quelque soit le gain Signal équivalent au bruit (EBI : Equivalent Background Illumination) Courant d’obscurité de la photocathode exprimé en éclairement équivalent 103 Les jeux d’unités Quantité de lumière Flux Intensité Luminance Exitance Eclairement Photoniques Nombre de photons (Nb Ph) Nb Ph / s Nb Ph / (s. sr) Nb Ph / (s. sr.m²) Nb Ph / (s.m²) Nb Ph / (s.m²) Intensité d'une source Flux lumineux angulaire (lumen) Éclairement (lux) Luminance Unités Energétiques J W W / (sr) W / (sr . m²) W / m² W / m² Visuelles Lumen seconde (lm . s) Lumen Candela (Cd) Cd / m² Lm / m² lux Candela 1 lumen = 1 candela / stéradian 1 lux = 1 lumen / m² Candela / m² Une candela est l’intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 tera hertz (λ = 555 nm, vert) et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian. Une candela (cd) est l'unité d'intensité lumineuse du Système international. Le lumen (lm) est l'unité de flux lumineux correspondant au flux émis par une source ponctuelle uniforme d'une intensité de 1 candela située au sommet de l'angle solide de 1 stéradian. Le lux est l’éclairement d'une surface qui reçoit, d'une manière uniformément répartie, un flux lumineux de 1 lumen par mètre carré. C’est de la lumière reçue. Le lux (lx) est l'unité d'éclairement. (1 lux = 1 lumen/m²). 104 Sensibilité de l’oeil 105 Longueur d'onde Sensibilité relative Longueur d'onde Sensibilité relative 380 0,00004 580 0,87 390 0,00012 590 0,757 400 0,0004 600 0,61 410 0,0012 610 0,503 420 0,004 620 0,381 430 0,0116 630 0,265 440 0,023 640 0,175 450 0,038 650 0,107 460 0,06 660 0,061 470 0,091 670 0,032 480 0,139 680 0,017 490 0,208 690 0,0082 500 0,323 700 0,0041 510 0,503 710 0,0021 520 0,71 720 0,00105 530 0,862 730 0,00052 540 0,954 740 0,00025 550 0,995 750 0,00012 560 0,995 760 0,00006 570 0,952 770 0,00003 Sensibilité de l’oeil 106 Photométrie • Energie du photon: • Loi de Planck: Emittance spectrale • Nombre moyen de photons reçu d’un corps noir • Nombre moyen de photo-électrons généré h: constante de Planck, K: constante de Boltzmann, c: vitesse de la lumière, Ti: durée intégration, Ad surface pixel, (): efficacité quantique spectrale, T: température absolue du corps noir 107 Mesure avec une lampe incandescente • Calculer l’efficacité quantique effective • Calculer la longueur d’onde effective • Calculer le coefficient de conversion en Lux • Mesurer l’irradiance avec un photomètre • Calculer l’irradiance effective 108 Efficacité quantique effective Mesure par photomètre de l’irradiance effective: Distribution spectrale de l’irradiance: Nombre de photons incidents: En obscurité Nph=0: Bruit associé Evolutions du signal de sortie et du bruit sous éclairement Détermination du gain de conversion Efficacité quantique effective 109 Longueur d’onde effective Pour un senseur donné: 110 Coefficient de conversion en LUX Irradiance photométrique (Lux): avec: et, , la distribution spectrale de sensibilité de l’œil Assumant une distribution spectrale Proportionnelle à celle du corps noir: D’oû le coefficient de conversion 111
