Etude d'une chaîne d'acquisition d'images numériques – CCD

Il est imp é ratif que les é tudiants pr é parent le TP au pr é alable, sous peine de ne pas pouvoir finaliser leurs mesures lors de la séance de TP.

Informations pr é liminaires

La séance de TP a une durée de 5 heures et se déroulera dans le bâtiment 3TP1 – salle H6.

Chaque binôme ou trinôme sera tenu de rendre un compte-rendu soigné à l'enseignant, Mr GODET Olivier, au plus tard une semaine après la séance de TP. Les compte-rendus devront utiliser un vocabulaire approprié. Les compte-rendus pourront être faits sur papier et/ou de manière électronique. Les formats électroniques pourront être envoyés à l'adresse suivante : ogodet@irap.omp.eu. Pour les formats papier, ils devront être déposés au secrétariat.

Tout retard quant à la remise des compte-rendus COMPLETS sera sanctionn é . Tout plagiat ou autres formes de triches sera é galement sanctionn é .

Le manque de ponctualit é des é tudiants sera é galement pris en compte dans la notation du TP. Un retard entre 5 et 10 min sera sanctionné par 2 points en moins sur la note finale du TP. Un retard entre 10 min et 15 min sera sanctionné par 5 points en moins, tandis que tout retard supérieur à 15 min sera sanctionné par 8 points en moins, sauf si un justificatif est présenté à l'enseignant sous un délai de 2 jours suivant le TP.

Objectifs du TP

Ce TP a pour objectif de permettre aux étudiants de :

● comprendre ou approfondir le fonctionnement d'une chaîne d'acquisition d'images numériques de type CDS (Correlated Double Sampling). Pour ce faire, vous étudierez le fonctionnement d'un capteur CCD (Charge Coupled Device) et sa chaîne de lecture analogique/numérique;

● se familiariser avec l'acquisition des images numériques et leurs manipulations;● investiguer avec les moyens proposés en TP une propriété du capteur CCD et/ou de la chaîne

analogique/numérique sous la forme d'un mini-projet.

La caméra CCD utilisée pour les TPs est une caméra Audine, équipée d'un capteur CCD Kodak AF401.

Le mini-projet a été dimensionné pour une durée de 2-3 h, le reste du temps étant dévolu au fonctionnement du capteur CCD, sa chaîne de lecture analogique/numérique.

Matériels utilisés

Attention : La salle de TPs est organisée de telle sorte qu'il n'existe qu'un banc permettant d'étudier le fonctionnement de la chaîne d'acquisition, alors qu'il existe 3 bancs pour les mini-projets. Il conviendra aux étudiants de partager le banc “CCD fonctionnement” à tour de rôle.

Ci-dessous la liste des équipements principaux mis à la disposition des étudiants sur chaque banc :

− 1 ordinateur fonctionnant sous Windows permettant de lancer les logiciels : Audela permettant de piloter la caméra et Matlab pour l'analyse des images;

− 1 caméra Audine (avec une optique pour 4 d'entre elles pour faire de l'imagerie);− 1 boîtier d'alimentation de la caméra; − 1 natte pour raccorder la caméra à l'ordinateur sur le port parallèle lp1;− 1 plaquette sur laquelle est déportée la chaîne d'acquisition permettant de visualiser à

l'oscilloscope les différents signaux pour la partie concernant le fonctionnement du capteur CCD/chaîne analogique – numérique.

− 1 imprimante réseau

Le boîtier d'alimentation possède un interrupteur général placé à l'arrière. La mise sous tension de la caméra se fait dans l'ordre :

1. allumer l'interrupteur général placé à l'arrière du boîtier

2. allumer le bouton +15/-15 V

3. allumer le bouton du ventilateur.

Ne pas allumer le refroidissement Peltier (le bouton du milieu).

Après l'utilisation d'un banc, merci de rassembler l'ensemble de vos images et programmes Matlab dans un répertoire à vos noms et d'enregister le tout sur une clé USB fournie par l'enseignant. Vous devrez indiquer dans vos compte-rendus à quoi correspondent les différents programmmes et images.

Boîtier d'alimentation de la caméra (interrupteur général au dos du boîtier).

Boîtier caméra Audine.

Capteur CCD & chaîne d'acquisition (analogique et numérique) reportés sur une tablette.

Oscilloscope.

1. Fonctionnement d'une chaîne d'acquisition d'images numériques

1.1. Fonctionnement d'une caméra CCD

Pour le fonctionnement d'une caméra CCD, merci de vous reporter au cours. Ici, on étudiera la caméra CCD Kodak AF401.

A partir des deux extraits de la “datasheet” du CCD présentés ci-dessous, repérer les caractéristiques et les différentes zones du CCD. De quel type de CCD s'agit-il ? Quelle est la phase du CCD ? Justifier vos réponses.

1.2. ChronogrammeCi-dessous, le chronogramme général de lecture de la matrice CCD (extrait de la “datasheet” de Kodak).

Dans le cas d'un binning 3x3, transformer le chronogramme du Kodak AF401. Vous définirez au préalable à quoi correspond le binning. Pour les horloges ΦH1 et ΦH2, on ne cherchera pas à dessiner exactement comment se transforment leurs signaux. Cependant, vous devrez expliquer ce qui se passe au niveau du registre.

Expliquer comment est modifiée l'image dans ce cas.

1.3. Analyse des signaux à l'oscilloscopeDans cette partie, vous allez visualiser des signaux d'horloges et le signal de sortie du CCD à différents endroits de la chaîne analogique/numérique.

Aidez-vous du cours (M1 & M2) et des points étudiés aux sections précédentes pour expliquer sur votre compte-rendu la forme des signaux observés à l'oscilloscope. Dans chaque cas, vous devrez repérer les étapes de vidage (nécessité d'utiliser la fonction storage de l'oscilloscope), de temps de pose et de lecture. Noter clairement dans votre compte-rendu ces étapes et ce que vous observez à l'écran de l'oscilloscope. Il sera notamment tr è s important de reporter dans votre compte-rendu les é chelles utilis é es pour visualiser les diff é rents signaux.

Rappel

Lors de la prise d'une image, on rappelle que trois étapes sont réalisées : le vidage, l'intégration ou l'acquisition de l'image et la lecture.

Pratique

Allumer la caméra (position face vers la table) en suivant les indications mentionnées au début. Si vous n'êtes pas sûr de vous, demandez l'aide de l'enseignant.

Pour utiliser la caméra, vous allez utiliser le logiciel Audela. Pour l'ouvrir, cliquer sur l'icône Audela-123 sur le “Bureau” de l'ordinateur et sélectionner Audace. Aller dans le menu déroulant sur l'onglet Configuration et sélectionner Camera. Regarder si le champ “Audine” est sélectionné. Si c'est le cas, cliquer sur OK. La caméra est alors opérationnelle.

En cas de doute, demandez l'aide de l'enseignant.

Faire le branchement des fils reliant l'oscilloscope à la plaquette pour visualiser V1 et V2 (Section 1.3.1) et pr é senter le montage à l'enseignant.

Prendre un temps de pose de 5 s.

1.3.1. Analyse de V1-V2

Oscillo: V1 sur la voie 1 et V2 sur la voie 2. Trigger sur le front montant de V1.

Appuyer sur la touche GO CCD.

Repérer la séquence de vidage (échelle des temps ~ 500 μs – 1 ms) et la séquence de lecture (échelle des temps ~ 10-20 μs) en binning 1x1. Noter la durée de chaque palier pendant la séquence de lecture. Comparer vos valeurs avec celles du Tableau 1 (cf. Annexe). Que se passerait-il si le palier durait moins que la valeur minimale donnée dans le Tableau 1 ?

Observe-t-on quelque chose pendant le temps de pose (intégration de la lumière) ? Est-ce normal ?

Mesurer le temps mis pour transférer une ligne verticalement pendant la phase de lecture. Expliquer votre démarche (aidez-vous des éléments de la “datasheet” qui vous sont donnés).

1.3.2. Analyse de H1-V2

Analyser en binning 1x1 les signaux H1 (voie 2) et V2 (voie 1) en distinguant les séquences de vidage et de lecture.

Figure A – Séquence de vidage : V2 (en haut) et H1 (en bas) en binning 1x1.

Expliquer ce que vous observez sur la Figure A. Combien de pics observez-vous pour V2 (image du bas) ? A quoi cela correspond-il ? Calculer le temps mis pour vider l'ensemble de la matrice active. Expliquer votre démarche.

A quoi sert le vidage ? Comment pourrait-on accélérer cette étape ? Quelle(s) précaution(s) doit(vent) être prise(s) dans ce cas ?

Figure B – Séquence de lecture : V2 (en haut) et H1 (en bas) en binning 1x1.

Expliquer ce que vous observez sur la Figure B, notamment l'allure du signal H1 pendant la séquence de lecture. Mesurer les différents paliers de H1.

Calculer le temps mis pour lire l'ensemble d'une ligne. Expliquer votre démarche.

Manipulation :

Observer à l'oscillo les même signaux en binning 2x2 pour la séquence de lecture. Commenter et expliquer ce que vous observez. Mesurer à nouveau les différents paliers de H1. En déduire le temps nécessaire pour vider un paquet de charges contenu dans un photo-site du registre vers la diode flottante. Comparer avec la valeur dans le Tableau 1. Conclure.

Calculer le temps mis pour lire l'ensemble d'une ligne en binning 2x2. Expliquer votre démarche. Comparer au cas précédent.

1.3.3. Analyse des signaux H1-R

Analyser en binning 1x1 les signaux H1 (voie 2) et R (voie 1) sur la séquence de lecture.

Figure C – Séquence de lecture : V2 (en haut) et H1 (en bas) en binning 1x1.

Mesurer le palier à l'état haut du signal R. Comparer à la valeur donnée dans le Tableau 1. Commenter.

Manipulation :

Observer à l'oscillo l'évolution des signaux en binning 2x2. Commenter. Sur quel front de H1 le signal R passe-t-il à l'état haut ?

1.3.4. Analyse des signaux CL-R

Analyser en binning 1x1 les signaux CL (voie 2) et R (voie 1) en distinguant la séquence de lecture. Trigger sur la montée de R.

Figure D – Séquence de lecture : R (en haut) et CL (en bas) en binning 1x1. Ici la caméra a reçu de la lumière.

Commenter le signal CL qui correspond en quelque sorte au signal de sortie de la diode flottante (reportez-vous au cours). Combien de paliers sont visibles ? A quoi correspondent les différents paliers ? Où se trouve l'information utile ? Pourquoi observe-t-on un signal même lorsque la caméra est dans le noir (face vers la table) ? Faites en la démonstration.

Manipulation :

Que se passe-t-il si on rajoute trop de lumière (à l'oscilloscope et sur l'écran d'ordinateur) ? A quoi correspond cet effet ?

Observer l'évolution des signaux en binning 2x2. On rajoutera encore une fois un peu de lumière. Commenter et expliquer en détail ce que vous observez. Vous pourrez aussi regarder les signaux CL (voie 2) et H1 (voie 1) pour vous aider. En déduire sur quel front de H1 les charges sont décalées du registre à la diode flottante. Préciser la fonction de R.

1.3.5. Analyse de la chaîne analogique (plots rouge)

Calculer la valeur de la variation de tension maximale ΔVmax aux bornes de la diode flottante. Pour ce faire, exprimer ΔVmax en fonction de Nsat (capacité du puits de potentiel de la matrice) et Vout/Ne- (sensibilité de la diode flottante) – cf. Tableau 2 en Annexe.

Manipulation :

Analyser en binning 1x1 les signaux CL (voie 1) et VCCD (voie 2) en distinguant la séquence de lecture. Commenter l'allure du signal VCCD . Comparer le au signal CL. Essayer de comprendre l'origine des différences notées.

Faire saturer la caméra en la soulevant de la table pendant l'acquisition, mesurer la valeur du signal utile pour VCCD. Comparer à la valeur ΔVmax. Faire la même mesure pour CL.

Le montage entre CL et VCCD correspond à quel type de montage ? Quelle est la relation entre CL et VCCD ? En utilisant les notations des résistances R20 et R21 sur la tablette, en déduire les valeurs des résistances en sachant qu'une a une valeur de 1 kΩ. On supposera que l'AO est parfait. Justifier vos réponses.

Pourquoi le signal CL accuse-t-il des transitions moins abruptes ?

1.3.6. Intérêt de l'étage de clamp (“serrage” en français)

Manipulation :

Analyser en binning 1x1 les signaux CL (voie 1) et ACL (voie 2) en distinguant la séquence de lecture.

Ajouter de la lumière pendant la phase de lecture. Qu'observez-vous ? En déduire l'intérêt du montage de clamp se trouvant à droite de l'étage d'amplification sur la plaquette. Comment fonctionne-t-il ? Faire l'analogie avec un interrupteur commandé par une horloge (l'horloge actionnant la fermeture ou l'ouverture de l'interrupteur).

A quoi sert l'étage situé entre le clamp et le CAN ?

1.3.7. Numérisation

Analyser en binning 1x1 les signaux CL (voie 1) et R/C (voie 2) en distinguant la séquence de lecture et de vidage. Commenter ce que vous observez.

A quoi correspond R/C ? Mesurer la durée de l'état haut.

Relancer une acquisition en faisant saturer la caméra. Mesurer l'intensité sur l'image. En déduire le nombre de bits de codage du CAN, sachant que le bit de poids le plus fort n'est pas utilisé.

Connaissant Nsat (cf. Tableau 2 – valeur nominale), en déduire le gain du CAN (e-/adu).

NB : adu = Analog/Digital Unit

1.4. SynthèseEn utilisant tous vos résultats précédents, établir un chronogramme montrant les différents signaux d'horloges et leur cadensement les uns par rapport aux autres en binning 1x1.

ANNEXE

Tableau 1

Tableau 2