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Nom original: ch3 le bruits (1) (1).pdfAuteur: salah sellami

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CHAPITRE 3

Etude des Performances du CCD et l’EMCCD

1. Introduction
La technologie EMCCD est une variante de la technologie CCD. Afin de pouvoir étudier ces
performances vis-à-vis l’ancienne technologie, on va comparer entres les deux. Ce qui va nous
permettre de voir ce que le capteur EMCDD apporte comme avantage pour le domaine de la
vidéosurveillance. Cette étude comparative fera l’objet de ce chapitre.

2. Les bruits de capteur CCD
Ce problème est plus complexe, Pour les capteurs CCD, et les capteurs d’images en général, on
considère comme bruit tout ce qui ne correspond pas à l’image désirée. La source de ce bruit est par
le degré de chauffage de fonctionnement du capteur. On distingué dans ce cas :
2.1. Le bruit de noire obscurité
Équivalent à l’agitation d’électrons (de la collection des photons en charge)
2.2. Courant d'obscurité dans les pixels
Le courant d'obscurité du pixel est défini comme le nombre de charges détectées dans le noir par le
pixel par unité de temps.
Ces électrons mesurés sont générés thermiquement dans le pixel et sont piégés dans la zone de
déplétion.

La valeur du courant d'obscurité dépend de la durée d'exposition du pixel et peut être réduite par
refroidissement du capteur.
L'ordre de grandeur du courant d'obscurité des pixels actuels est inférieur à 0.1 électrons par pixel et
par seconde.
Un capteur CCD fournit une faible tension en sortie même lorsqu’il n’est soumis à aucune lumière.
Ces charges parasites proviennent de la création de paires électrons/trous causée par l’agitation
thermique.

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Etude des Performances du CCD et l’EMCCD

La figure III.1. Montre l’évolution du courant d’obscurité dans les pixels

en changement la

température.
Cette simulation montre que bruit augment avec l’augmentation de la température ce qui veut dire
que le bruit devient important dans les en droits chauds.

9

courant d"obscurité (e/pixels)

8

7

6

5

4

3

2
0

10

20

30
40
Température(C)

50

60

70

Figure III.1: Evolution du courant d'obscurité en fonction de la
température
2.3. Le bruit de lecteur
Ce bruit est du au passage de charges de pixel vers la sortie de capteur CCD, qu’il est supérieur au
taux de lecture de pixels rapides.
La figure III.2 lustré l’évolution de bruit de lecteur en fonction de la fréquence.
Cette caractéristique croit d’une façon exponentielle, pour atteindre l’infinité pour les hautes
fréquences [50-60 KHZ].
Ce qui veut dire que si on augment la fréquence de lecteur on aura un bruit de lecteur important.

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Etude des Performances du CCD et l’EMCCD

100
90
80

Bruit de lecture

70
60
50
40
30
20
10
0

0

10

20

30
Fréquence (Khz)

40

50

60

Figure III.2: Evolution du bruit de lecture en fonction de la fréquence

2.4. Le bruit de grenaille (the shot noise)

Le bruit de grenaille est produit par les variations statistiques du nombre de photons incidents qui
atteignent la zone de photosensible. On montre que la statistique d’arrivée des photons suit une loi de
Poisson. [5]
Lorsque l'on attend N=E/hv photons, la valeur moyenne observée est N et la Fluctuation √N ; autour
de cette valeur moyenne. [5]
Il s’ensuit un rapport signal à bruit déterminé par le flux de photons égal à :

Signal/Bruit =√N

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Etude des Performances du CCD et l’EMCCD
10
9
8

signal/Bruit

7
6
5
4
3
2
1
0

0

10

20

30

40
50
60
intansité de lamiére

70

80

90

100

Figure III.3: Bruits dans les capteurs CCD en fonction de l'intensité
lumineuse
2.5. Le bruit global

Le bruit global combine les principales sources de bruit à partir de la «racine de la somme des carrés
de la loi. [7]
BT=√ ((bruit d’obscure)2+(bruit de grenaille)2+(bruit de lecteur)2)

3. Les bruits du capteur EMCCD
Dans cette partie, nous allons étudier les différentes performances du capteur EMCCD
3.1. Le bruit de l’amplification de sortie
Les photons électrons générés doivent être convertis en un signal approprié pour le transfert dans une
chaîne vidéo classique. Ceci est réalisé par une charge de tension procédé de conversion .Les circuits
sur la carte du capteur est généralement constitué d'un ou plusieurs AC ou DC couplé.

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Avant le transfert de signal au nœud de sortie, le potentiel du nœud est remise à niveau DC sur le
drain pour tourner de transistor FET « ON » ; et ensuit le signal de charge est transféré vers le nœud
pour le mode « OFF ».


Le Bruit de Johnson

Du canal du transistor FET à l'état passant introduit une incertitude dans le potentiel dans laquelle le
nœud est réinitialisé. Ceci est connu comme le bruit kTC et peut être éliminé à l'aide les techniques
de traitement des signaux analogiques et numériques tels que le double échantillonnage corrélé
(CDS).
Le opération CDS implique un circuit externe de goûter à la sortie après un reset et encore avec le
signal présent. La soustraction des valeurs supprime la composante de réinitialisation commun ; dans
un système bien conçu.

Figure III.4: Schématique d'un circuit de sortie du CCD en une seule étape
typique

Une fois le bruit kTC est (éliminé le bruit résultant de la conversion de la charge et un bruit vers
tension est dominé par le « 1 / f ». une approximation pratique du CDS pour un pré échantillonnage
optimal, un bruit peut être défini entre les fréquences (fC/2) et (3fC/2).ou fC est une fréquence de
lecteur de capteur CCD.
En limitant le bruit de transistor entre ces fréquence, on aura le signal bruit équivalent (moyenne
quadratique l’électron) :

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CHAPITRE 3

Etude des Performances du CCD et l’EMCCD

NES~ (2*eW*f01/2 *(1+fC/f0)1/2 )/R
Avec :
eW : la densité spectrale du bruit blanc (μV/HZ0.5)
fC : le fréquence d'horloge (HZ)
f0 :la fréquence (Hz) où la densité spectrale du bruit « 1/ f » est égal au bruit blanc
R :le coefficient de réponse du circuit de sortie (μV/électrons)
Le bruit blanc et la sensibilité à la fois fonction de la taille du transistor
En respectant les dépendances pour une conception optimale :
NES∞ (1+fC/f0)1/2 )/√R

Où la constante de proportionnalité est une technologie dépendante main indépendant de la taille des
transistors. Le plancher de bruit le plus faible possible avec ces éléments est de l'ordre de deux pour
la moyenne quadratique d’électrons mais pour cela le débit d'extraction doit être inférieur à quelques
dizaines de kHZ. Le bruit augment de la même manier que le tant de lecteur.
La figure III.5 délustre l’évolution du bruit en fonction de la fréquence en choisissant deux valeurs
de R qui signifie deux capteurs différents.
20

noise equivalent signal ,NES (electrons)

18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
100

200

300

400
500
600
700
readout frequency ,Fc(khz)

800

900

1000

Figure III.5: Le signal équivalent de bruit de deux capteurs CCD
scientifiques ayant circuit de sortie différente sensibilités.
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CHAPITRE 3

Etude des Performances du CCD et l’EMCCD

Cette courbe montre que méme si on est utilise le capteur dans une plage de fréquence élevée, la
courbe de Johnson reste moyennement acceptée.
3.2. Le bruit et le rapport signal-bruit
Le bruit sur le signal de sortie à partir d'un EMCCD comprend le bruit du sortie amplificateur
« σA » ; le bruit de grenaille poissonnier sur le photon généré le signal bruit de grenaille sur le signal
d'obscurité, et d'autres sources de signaux parasites, tous modifiée par la multiplication du gain de
processus.
En prenant compte de la moyenne équivalent du signal bruit à l’entrée du registre de multiplication,
et en ne tenant compte que du signal d'obscurité produit dans l'image on aura l’expression suivent :

NES=√ ((F2(S+D) + ( σA2/G2 ))
Avec :
S : le nombre moyen des électrons de signaux de photons générés
D : le nombre moyen des électrons de signal d’obscurité
F : le facteur de bruit en excès (est donné par l’équation suivant)
F2=2(G-1)*G-(1+1/n) +1/G
La simulation de la réponse du capteur pour différent valeur de gain de multiplication est donnée
dans la figure III.6.
4

(Excess Noise Factor)2

3.5

3

2.5

2

1.5

1

0

10

20

30

40
50
60
Gain de multiplication

70

80

90

100

Figure III.6: le diagramme du facteur de bruit en fonction de
multiplication gain
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CHAPITRE 3



Etude des Performances du CCD et l’EMCCD

Comme le gain de multiplication est augmenté, le bruit de l'amplificateur de sortie peut
devenir négligeable, en laissant le bruit de grenaille sur le signal et le signal d'obscurité, qui
est augmenté par le processus de multiplication.



un gain élevé et un grand nombre d'étages de multiplication, ce qui réduit à une valeur F2=2

3.2.1. Le gain statique
Le gain statique est définie par l’équation suivent :

G=1+ɑ~1+ ( (B-T)*exp(C∆V))

Avec :
ɑ : la probabilité d'un événement d'ionisation par impact survenant
T : la température ; ∆V la différence de potentiel entre la haute tension et (DC) courant continu la
phase au moment du transfert de charge.
: Fonction du temps et représente le changement du gain du à la charge de la grille électrique
L’allure du gain statique en fonction de ∆V et pour différents valeurs de test donnée dans la
figure III.7.
Caractéristiques de gain statique
1.0001
10 °C
18°C
25°C
33°C
aged 10°C
aged 18°C
aged 25°C
aged 33°C

1.0001

1.0001

probaillity a

1.0001

1.0001

1.0001

1

1

36

37

38

39
40
41
le voltage entre la phase N°2 et DC phase

42

43

44

Figure III.7: Caractéristiques de gain statique

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CHAPITRE 3

Etude des Performances du CCD et l’EMCCD

Donc le rapport signal-sur-bruit d'une course EMCCD à haut gain sera supérieur à partir d'un CCD
classique uniquement lorsque le niveau du signal est inférieur au carré du bruit de l'amplificateur
CCD.
3.4. Le signal d’obscurité
Tout comme les augmentations de courant d'obscurité lorsque la température augmente, courant
diminue sombre si le capteur est refroidi. Certains caméra fabricants utilisent ce fait pour réduire le
courant d'obscurité à très de faibles niveaux.
Une connaissance approfondie de transfert de chaleur, les matériaux physiques de la science et de
semi-conducteurs sont tous essentiels à succès refroidissement d'un appareil photo dans les
applications où le courant d'obscurité doit pratiquement éliminer.
L’expression du signal d’obscurité est donnée par la formule suivante :
IBulk ∞ T2*exp(-0.78ev/KT)
Avec :
T : la température
K : le constant de « BOLTEZMANN »
La figure III.8 montre l’évolution de signal d’obscurité en fonction de la température.
la valeur moyenne d’un signal d’obscurité en fonction de la température

10

11

x 10

serface de signal d'obscurité

10

Mean Dark Signal (electrons/cm2/s

size de signal d'obscurité
9

8

7

6

5

4

3
220

230

240

250

260
270
280
Temperture (Kelvin)

290

300

310

320

Figure I.8: la valeur moyenne d’un signal d’obscurité en fonction de la
température
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Etude des Performances du CCD et l’EMCCD

4. comparaison entre le détecteur EMCCD et le CCD
Type de capteur
Influences

CCD

EMCCD

Température

Moins affection de
EMCCD

Bruit

Même affection
d’EMCCD

Plus affection de CCD (il
besoin de refroidissement de
-76 0 C pour obtenir bon
qualité d’image.)
Même affection de CCD

Bruit de noire obscurité

Plus affection de EMCCD

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Moins affection de CCD
(avoir l’avantage de
multiplication de gain)

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