NOTIONS DE BASE SUR LES CCD EN ASTRONOMIE

Plan de l’exposé
• Quelques rappels sur les principes de base d’une caméra CCD.
• Quelles sont les caractéristiques des capteurs et des caméras CCD et comment les comparer.
• Rappel sur le prétraitement.

Principes de base
• CCD = Charge Coupled Device ou en français : Dispositif à transfert de charges
    • Le capteur est composé de pixels.
    • Utilisation de l’effet photo-électrique, c’est-à-dire, l’arrivée d’un photon sur le silicium va générer un électron.
    • Les électrons (charge négative) vont pouvoir être mesurés par l’électronique.

L’effet photo-électrique
• Les photons arrivant sur le capteur excite les électrons situés dans la bande de valence. Ils sont alors propulsés dans la
   bande de conduction. (Gap du Silicium = 1.14eV)
• Pour du Silicium, l’effet photo-électrique agit entre des énergies de 1.1 eV à 10 Kev.
• A partir de 1.1mm (proche infra-rouge), les photons n’ont pas assez d’energie pour propulser les électrons dans la bande
   de conduction.

L’effet photo-électrique (2)
• Pour des énergies au-dessus de 10 KeV (UV), la probabilité d’interaction des photons et des atomes de silicium devient
   trop faible. Le silicium est alors «transparent » aux photons incidents.
• Avec d’autres matériaux, tel que le Germanium par exemple, on peut élargir considérablement la plage de longueur
   d’onde. (Gap du germanium = 0.55eV). On peut monter dans l’infra-rouge jusqu’à 1.6mm et vu la plus grande densité
   du matériau, il interagit avec des énergies jusqu’à 20KeV (rayons X).

Le capteur CCD
• KAF-1600 de Kodak

Comment comparer les capteurs CCD ?
• Les dimensions : surface et taille et géomètrie des pixels.
• La capacité des pixels : combien d’électrons peut stocker un pixel avant d’être saturé (effet de «blooming»)
• La sensibilité en électron fourni par photon incident est exprimée par la notion de rendement quantique équivalent (RQE)
   en fonction de la longueur d’onde.(100% correspondant à 1 photon incident donne 1 électron).
• La couverture spectrale.
• Le courant d’obscurité.
• Le bruit de lecture.
• L’anti-blooming.

Caractéristique spectrale

Les dimensions du CCD
• On calcule le champ couvert par un pixel par la formule : a= c/f, où c est le champ en mm, f, la focale en mm et a l’angle
   en radian.
• Par exemple, f=2160 mm, et c=9mm (côté d’un pixel). a = 9*10^-3/2160 = 4.166*10^-6 radians. En seconde d’arc :
   (360/2*p)*4.166*10^-6*3600 = 0.86 secondes d’arc.

Le courant d’obscurité
• Génération spontanée d’électrons dans les photosites = courant d’obscurité.
• Caractéristiques :
    • phénomène parfaitement reproductible.
    • le nombre d’e- généré est proportionnel au temps d’intégration.
    • dépend fortement de la température (décroît d’un facteur 2 si la température est abaissée de 6°C).
• Le problème du courant d’obscurité (dark current) est que les électrons spontanément générés vont remplir les pixels
   jusqu’à la saturation, ce qui va limiter la durée de la pose.

Courant d’obscurité et pixels chauds
• Les pixels «chauds » sont des pixels qui sont plus sensibles au courant d’obscurité et qui donc, ont tendance à saturer
   plus vite. Ils apparaissent comme des points clairs sur l’image.
• Que faire avec le courant d’obscurité et les pixels chauds ?
    • Il faut refroidir la caméra le plus possible (attention au givrage !)
    • Il faut faire une image de correction, appelée « noir » ou « dark ».
• Qu’est-ce que le noir ou dark et à quoi ça sert ?
    • C’est une image de même durée que la pose mais avec l’obturateur fermé et à la même température. De cette façon,
       on pourra corriger les pixels chauds en soustrayant le noir à l’image.

Le bruit de lecture
• La lecture d’une matrice CCD consiste à déplacer les charges.
• Les transferts ne sont pas efficaces à 100%.
• Des charges sont perdues par des pixels fortement éclairés et récupérés par les pixels suivants.
• Phénomène à caractère aléatoire et dépend de la façon dont la matrice est lue.
• Le KAF-400 a un bruit de lecture < 20 e-

L’anti-blooming
• Lorsqu’une étoile vient saturer un pixel, on observe, sur l’image, une trainée blanche dans le sens de la lecture de la
   matrice. Le phénomène porte le nom d’éblouissement ou de « blooming ».
• Pour éviter ce problème, certains capteurs ont des drains, entre les rangées de pixels, qui permettent d’évacuer les
   électrons excédentaires (dispositif anti-blooming).
• Le désavantage de ce système est que si l’on veut faire de la photomètrie, le nombre d’électrons n’est plus proportionnel
   à l’éclairement pour les étoiles brillantes. De plus, les drains créent des zones mortes dans les photosites.

Exemples de capteurs

Schéma bloc d’une caméra CCD

L’électronique d’une caméra
• Rôles :
    • commande de la lecture de la matrice CCD (déplacement des charges).
    • Amplification et filtrage du signal.
    • Conversion Analogique - Numérique .
    • Interface avec l’ordinateur.
    • Le séquencement des opérations : nettoyage du CCD, intégration et lecture des pixels.

Le principe du transfert de charge

Caractéristiques d’une caméra CCD
• Le capteur CCD.
• Le nombre de bits du convertisseur AD. Plus ce nombre est grand, plus le nombre de niveaux de gris entre le noir (0) et
   le blanc (valeur maximum) sera grand.

Caractéristiques d’une caméra CCD: Le refroidissement
• Moyens de refroidissement
    • Par exemple, nombre de modules Peltier (un ou deux).
    • Ventilateur
    • Circulation d’eau
    • Dispositif anti-givre/anti-buée
    • Régulation de la température
• Nombre de degrés au-dessous de la température ambiante que l’on peut atteindre.

Caractéristiques d’une caméra CCD: Les modules Peltier
• Principe : lorsqu’un courant électrique circule dans le module, des calories sont transférées de l’une des faces
   (face froide) vers l’autre (face chaude).
• Le rendement est assez mauvais. La puissance thermique apparaissant sur la face chaude est la somme de la puissance
   pompée sur la face froide et de la puissance électrique consommée dissipée sous forme de chaleur.
• Pour augmenter la différence de température entre le CCD et la face chaude, il est possible de cascader les modules.
   Mais un nombre élevé d’étages implique une puissance finale à dissiper élevée.

Caractéristiques d’une caméra CCD: L’évacuation des calories de la face chaude
• La face chaude est munie d’un radiateur à ailettes (simple mais peu performant)
• En plus du radiateur, on ajoute un petit ventilateur (convection forcée), cette méthode est 10x plus efficace que la
   précédente.
• Un radiateur à circulation d’eau ou de liquide de refroidissement. C’est la meilleure solution (50W évacué pour une
   différence de température de 1°C entre la face chaude et l’eau), mais c’est encombrant (pompe, tuyau, récipient d’eau,
   …)

Caractéristiques d’une caméra CCD: Givrage et buée
• Tout d’abord, il faut que le CCD soit placé dans un environnement sec (vide, silicagel,…).
• Une petite résistance permet en chauffant de limiter la formation de givre ou buée.
• S’il y a vraiment de la buée, un bon foehn fera l’affaire.
• Nous avons constaté, que d’ouvrir l’obturateur pendant le refroidissement limitait les risques de formation de buée.

Caractéristiques d’une caméra CCD: Le « smearing »
• Le temps de lecture d’une matrice CCD n’est pas négligeable (1 à quelques sec.) et lors du décalage des lignes de
   pixels, si l’intégration continue, les pixels lus en dernier auront été plus exposés  que ceux lus en premier (critique
   pour l’imagerie planétaire). C’est l’effet de smearing.
• Pour les capteurs pleine trame (Full Frame), où tous le capteur est exposé, il faut donc mettre un obturateur.
• Il y a des capteurs à transfert de trame (TC211 par ex.), où le capteur est partagé en deux zones, l’une exposée et
   l’autre masquée. A la fin de la pose, la  zone exposée est transférée rapidement dans la zone masquée
   (décalage vertical uniquement).

Caractéristiques d’une caméra CCD: L’autoguidage
• Il existe des caméras destinés au guidage uniquement, telle la ST4. Il faut choisir une étoile guide et l’électronique
   de la caméra se charge d’envoyer les commandes aux moteurs.
• Le système « Track & Accumulate »
• Le deuxième capteur de guidage (par ex. ST7).

Caractéristiques d’une caméra CCD: Divers
• Poids : il faut voir les limites de sa monture.
• Prix.
• Support logiciel, par exemple acquisition avec Prism.

Le prétraitement
• Pour faire un prétraitement, il faut :
    • Une image brute
    • Une image flat (ou médiane de plusieurs flats).
    • Une image noir (ou médiane de plusieurs noirs).
    • Une image offset (ou médiane de plus. offsets).

L’image Flat ou PLU
• But : correction des aberrations optiques
• Flats sur le ciel (fenêtre de 15 minutes)
    • ciel assez sombre -> temps de pose pas trop court
    • ciel pas trop sombre -> trainées d’étoiles
• Pas de motorisation -> trainées d’étoiles partent par médiane
• Min. 5 flats pour faire une médiane

Flats «artificiels»
• A reprendre des images prises la nuit
• Panneau blanc éclairé par l’avant
• Feuille blanche sur l’ouverture du télescope éclairée par l’arrière
• Aux binnings nécessaires

Image « Noir »
• But : soustraction de la composante thermique
• Image dans le noir du même temps de pose que l’image
• Après ou avant chaque image
• Noir générique
• Min. 3 noirs par image (pour médiane)

Image Offset
• But : soustraction de l’offset de lecture
• Image dans le noir d’un temps de pose 0
• Avant ou après chaque image ou séance de prise d’image
• Min. 3 offsets
• Peuvent varier avec la température

Traitement des images « flat »
• Soustraire l’image d’offset à chaque image flat.
• Réaliser la médiane des flats.

Traitement des images « noir »
• Il faut réaliser la médianes des images « noir »

Le Prétraitement
Image prétraitée = image brute-noir / (flat-offset)

Liens intéressants
• http://www.atmpage.com/chip.html : comparaisons des chips CCD
• http://www.sbig.com : site de SBIG (caméras ST7, ST8, etc…)
• http://www.meade.com : site de MEADE
• http://www.apogee-ccd.com : site pour les caméras APOGEE
• http://www.starlight-xpress.co.uk : site des caméras STARLIGHT XPRESS
• http://www.synocom.net : site de Synonyme (caméras SCR)
• http://astrosurf.com/audine : site de la caméra en kit AUDINE