CR - Mise en oeuvre des systèmes

SP1
CCD
SPECTROGRAPHE À CAPTEUR CCD
Nom des étudiants :
Date :

1 jour de retard

2 jours de retard
 + de 2 jours de retard
Date de retour
N°
1
Questions
Cor.
Pts sur
place
Pts
rapport
CS
___/2
1.3.2 Principes fondamentaux
FP
___/2
1.3.3 SYSML
GB
___/1
Mise en œuvre du système
2.1.1 Montage optique
___/3
2.1.2 Mise en œuvre du CCD
CS
___/2
2.1.3 Étalonnage du spectrographe
FP
___/2
2.1.4 Électronique
CS
___/1.5
2.1.5
3
Remarques des correcteurs
Analyse fonctionnelle du système
1.3.1 Principales caractéristiques
2
-2pts
Note /2
Note=0/20
Calcul informatique des
GB
coefficients DMC
Analyse des performances du système
__/1
__/0.5
3.1.1 Pouvoir dispersif du prisme
FP
___/1
3.1.2 Spectre du sodium
FP
___/1
3.1.3 Étude de la CCD
FP
___/1
3.1.4 Conclusion
OS
__/1
Responsabilisation des étudiants
Rangement et autonomie
___/1
Note : ___/20
Les points dans les champs grisés sont
attribués sur place. À la correction, ces points
ne seront plus reportés sur le compte-rendu.
Remarques des étudiants (problèmes matériels, erreurs dans le sujet, …)
cadre 1 : Barème de correction.
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1. ANALYSE FONCTIONNELLE DU SYSTÈME
1.1. Éléments à votre disposition
1.2. Introduction
1.2.1. Spectroscope à fentes
1.2.2. Barette CCD
1.2.3. Électronique associée au capteur ILX503
1.3. Travail demandé
1.3.1. Principales caractéristiques
Rechercher dans le dossier technique les principales caractéristiques du capteur …
 Nombre de pixels (utiles + aveugles)?
 À quoi sert le temps d’intégration dans un capteur CCD ?
 Quelle valeur théorique minimum peut prendre le temps d’intégration (on suppose que l’on connaît la fréquence
f0 de lecture des pixels et le nombre de pixels N) en fonction de f0 et N ?
 Dans notre cas, la fréquence maximale de travail est de 5MHz. En déduire le temps d’intégration minimum.
 Longueur (notée d) de la partie active du capteur CCD ?
 Distance centre à centre en µm entre les pixels ?
Réponse :
.
.
.
.
.
.
1.3.2. Principes fondamentaux : Spectrographe
Le prisme d'angle A est utilisé au voisinage de la déviation minimum (i  i').
La déviation est alors donnée par :
A

D min i  2 sin1  n sin   A
2

(1)
Dmini est donné dans la documentation (courbe Excel en annexe) en fonction de la longueur d'onde .
Dans la relation (1),  n'apparaît pas explicitement, expliquer pourquoi la déviation D dépend pourtant de .
D'après les documents en annexe, la déviation est-elle une fonction affine de  ? Est-elle une fonction affine de
1/² ?
Réponse :
.
.
.
Pour simplifier, la loi de Cauchy qui donne l'indice n d'un verre en fonction de  est généralement admise :
b
n  a 2 .

Si on admet une loi semblable pour la déviation minimum :
d
Dmin i  c  2 ,

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donner la valeur et l'unité des constantes c et d.
On s'intéresse aux radiations du domaine visible, du violet 405 nm au rouge 644 nm. Quelle sera en sortie de
prisme l'écart angulaire  entre ces deux radiations extrêmes ?
On choisit la focale de la seconde lentille f 2 = 500 mm. Peut-on observer le spectre visible du violet au rouge sur
toute la longueur active d du capteur ?
Réponse :
.
.
.
.
.
.
1.3.3. Analyse fonctionnelle
Compléter le diagramme de blocs ci-dessous :
Réponse :
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2. MISE EN ŒUVRE DU SYSTÈME
2.1. Travail demandé
2.1.1. Montage optique
Montrer le montage à un professeur.
2.1.2. Mise en œuvre du CCD
 Pour retrouver les différentes longueurs
d'onde du cadmium et du mercure une
fois l’étalonnage réalisé, déplacer la souris
dans la fenêtre CCD , la longueur d’onde
correspondant à la position de la souris
s’affiche alors dans l’indicateur Long.
D’onde en nm.
 (nm)
Couleur
N°
pixel
436
Hg
violet
indigo
468
Cd
bleu
480
Cd (F')
bleu
clair
509
Cd
vert
bleu
546
Hg
vert
578
Hg
jaune
644
Cd(C')
rouge
tableau 1 : Raies du cadmium (468; 480; 509; 644 nm) et du mercure
(436; 546 et le doublet jaune 577+579).
Réponse :
 Sauvegarder l’enregistrement sous vos initiales.
Faire appel à un professeur en cas de difficultés.
 Rassembler vos résultats dans un tableau :
Réponse :
Compléter le tableau 1.
 Noter la valeur des coefficients a et b de la régression.
 Sauvegarder à nouveau sous vos initiales.
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Réponse :
.
.
2.1.3. Étalonnage du spectographe
Faire sous Excel le graphe du N° du pixel en fonction de 1/2 à partir du tableau 1. Rechercher une régression
linéaire permettant d'établir l'équation N = f(1/2). Comparer les coefficients de la DMC aux valeurs a et b précédentes.
Réponse :
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2.1.4. Électronique
Description du signal CCDROG
 Que représente ce signal ? (que se passe-t-il lorsque celui-ci est au niveau haut, puis au niveau bas ?)
Réponse :
.
.
.
2.1.5. Calcul informatique des coefficients DMC
On souhaite calculer par un programme écrit en labview7 les coefficients a, b de la droite de régression linéaire
d’équation :
1
N  a. 2  b

d’après les valeurs du tableau 1
Charger le logiciel labview
Créer un nouveau Vi vide
1) Créer deux tableaux d’entiers un pour Lambda et un pour Npixel
2) Compléter ces tableaux avec les valeurs données cadre 14
3) Réaliser le programme face diagramme qui permet l’affichage simultané de la courbe précédente et de sa
droite de régression linéaire(le graphe est de type XY).
4) L’affichage des coefficients a et b de la droite de régression sera fait sur la face avant.
5) Imprimer la face diagramme
Faire valider par un professeur le fonctionnement de votre programme.
Réponse :
.
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3. ANALYSE DES PERFORMANCES DU SYSTÈME
3.1. Travail demandé
3.1.1. Pouvoir dispersif du prisme
A partir de … et en tenant compte de la focale de 500 mm, calculer la distance théorique entre les raies F'
(480 nm) et C' (644 nm) du cadmium.
A partir du tableau 1, établir en pixels puis en mm (1pix = 14 µm) l'écart expérimental entre les raies F' et C'.
Comparer.
Calculer l'écart angulaire ' en °.
Comparer votre résultat ' à celui (noté F' – C') trouvé dans les livres.
Réponse :
.
.
.
.
.
.
3.1.2. Spectre du sodium
f
Relever la largeur e de la fente source (en principe e  0,1 mm). Calculer la largeur de son image e'  e 2 .
f1
Combien de pixels du capteur seront excités par une radiation supposée parfaitement monochromatique ? (On
ne tient pas compte ici des aberrations et de la diffraction.)
Réponse :
Faire une sortie imprimante. Porter sur le graphe la valeur trouvée (longueur d'onde de la raie D) et comparer à
la valeur attendue.
Expliquer pourquoi on ne voit pas les autres longueurs d'ondes du sodium.
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Expliquer pourquoi on ne distingue pas les deux raies qui constituent le doublet du sodium.
Réponse :
3.1.3. Étude de la CCD
Connaissant le nombre des pixels (utiles et inutiles) retrouver, en observant le chronogramme du signal CCD
ROG, la fréquence horloge des pixels.
Réponse :
3.1.1. Conclusion
Le domaine des longueurs d’ondes observables ?
La résolution globale du système ?
Réponse :
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