La supergranulation, le réseau chromosphérique

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Les capteurs CMOS et leur caractérisation

Avant de parler dans ce chapitre du capteur CMOS IBIS4- 16000, il est nécessaire d’aborder les technologies de capteurs CCD et CMOS et d’examiner leurs avantages respectifs ainsi que leurs faiblesses, afin d’expliquer les éléments qui ont guidé le choix d’un capteur CMOS pour notre application.
Les capteurs d’images CCD (Charge Coupled Device), apparus dès les années 1970 bénéficient aujourd’hui de longues années de développement qui en font une technologie très en pointe. Leurs performances sont indiscutables. On a assisté plus récemment à des spécialisations de cette technologie (exemple : CCD amincis) à destination d’applications scientifiques de pointe (astronomie, médical, …). Parallèlement, les applications grand public (photographie numérique, webcams, téléphonie) font de moins en moins appel à la technologie CCD, au profit du CMOS.
Les capteurs d’image CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-conductor), apparus dans les années 1980 ont quant à eux longtemps été cantonnés à des applications d’imagerie bas de gamme (mis à part l’utilisation du CMOS pour les capteurs Infra-Rouges), mais du fait des avantages propres à leur architecture ainsi qu’à une technologie évolutive ils se sont révélés des produits prometteurs. L’ouverture récente et sur d’immenses volumes du marché de l’imagerie numérique a poussé les fabriquants à de très gros efforts de recherche et développement, amenant les performances de certains capteurs CMOS jusqu’au au niveau de capteurs CCD de moyenne gamme. Ces développement ouvrent la porte à l’utilisation, sous certaines conditions, des capteurs CMOS pour des applications scientifiques.

Capteurs CMOS/CCD et intérêt de la technologie CMOS

Principe de base d’un capteur au silicium

La structure de base d’un capteur silicium, commune aux détecteurs CCD et CMOS est, de manière simplifiée, celle représentée sur l’illustration 4.1.1, à savoir une structure MOS (Metal Oxyde Semiconductor) composée d’une électrode métallique (polarisée) suivie d’une couche d’oxyde (SiO2) puis d’une couche de silicium semi-conducteur dopé P (reliée à la masse).
Le principe de détection de la lumière par un capteur au silicium est l’absorption d’un photon et la création d’une paire électron-trou par effet photoélectrique au sein d’une zone de silicium dopé.
En présence d’un flux lumineux, le silicium absorbe un photon dont l’énergie libère un électron. Le champ crée par l’électrode métallique concentre les électrons (charges négatives) dans la zone proche de l’oxyde de silicium (appelée ” zone de déplétion “). La conversion des charges en tension se fera soit après transfert des charges vers un registre de sortie (cas du CCD), soit par conversion au niveau de chaque pixel (cas du CMOS).
Le phénomène photoélectrique n’est possible que si l’énergie du photon (hc/λ) est suffisante, ou, pour simplifier, si sa longueur d’onde λ est inférieure au seuil photoélectrique du silicium λsi, soit environ 1.1 μm.
Il existe également une limite de détection aux courtes longueurs d’onde (bleu et UV). En effet, à ces longueurs d’onde les photons sont absorbés par les couches en surface et ne traversent pas le silicium. Plus exactement, l’absorption du flux de photons dans le silicium suit une loi exponentielle: F  x =F0 e− x avec
– F(x) l’intensité du flux lumineux à la profondeur x sous la surface du silicium (ph/cm²/s);
– F0 l’intensité du flux lumineux à la surface du silicium (ph/cm²/s);
– α le coefficient d’absorption du silicium (cm-1) et x la distance considérée (cm).

Fonctionnement d’un capteur CCD

Un capteur CCD est constitué d’une matrice de photosites (ou pixels) dans lesquels se fait la conversion des photons en charges électriques, comme vu dans la section précédente. Il existe trois principaux types de capteurs CCD, classés selon leur mode de lecture: les capteurs pleine trame, les capteurs à transfert de trame et les capteurs à interligne.
Capteur CCD pleine trame :
La conversion des charges en tension nécessite d’abord le transfert des charges (ligne par ligne) vers un registre horizontal en bout de matrice, par le biais de tensions d’horloge appliquées à des grilles (horloges parallèles) à la surface du silicium. Une fois les charges transférées dans ce registre, elles sont déplacées vers le convertisseur (horloges série) transfert en utilisant l’analogie de récipients placés sur un tapis roulant: ces récipients (les pixels) sont soumis à une pluie continue (les photons). Lors de la lecture, ils sont déplacés par rangées entières (transfert parallèle) jusqu’au registre série où ils sont vidés un par un dans le convertisseur qui évalue le volume d’eau (la quantité d’électrons) recueilli (conversion de la charge en tension).
Cette analogie permet de comprendre que la lecture d’une zone donnée du CCD (fenêtrage) nécessite le déplacement complet de toutes les charges du capteur (Illustration 4.1.5) et qu’elle est
destructive (perte des charges électroniques dans l’unique convertisseur). On verra plus loin que le CMOS pare à ces deux obstacles.
En outre, les autres inconvénients sont les suivants :
– il est nécessaire d’utiliser un obturateur afin d’éviter le transfert des charges en présence de flux lumineux (phénomène de traînage ou smearing) ;
– les électrodes (grilles) de transfert absorbent une part de la lumière, notamment dans le bleu ;
– il est sensible à l’éblouissement (blooming) par débordement des charges dans les pixels voisins. Ce phénomène peut être évité par l’utilisation d’un drain d’évacuation des charges surnuméraires, au détriment du taux de remplissage des pixels (ou fill factor, terme anglais utilisé habituellement) et donc de la sensibilité globale du capteur .

Fonctionnement d’un capteur CMOS et principaux avantages

Les capteurs CMOS résultent de l’intégration au niveau du pixel d’une photodiode et d’une électronique de conversion, d’amplification et incluant parfois d’autres fonctions plus spécialisées. Ces capteurs sont donc aussi appelés APS (Active Pixel Sensor) en raison de la présence de composants (transistors) au niveau de chaque pixel.
Chaque pixel est donc directement adressable (sans transiter par les pixels avoisinants) selon le principe des mémoires. Des commutateurs de décodage selon les lignes et les colonnes permettent d’avoir accès à une zone précise du capteur, via un multiplexeur de sortie.
Les principaux avantages de la technologie CMOS sont les suivants:
● Le procédé et la chaîne de fabrication sont basés sur ceux de l’électronique standard (circuits intégrés silicium), engendrant une facilité de développement et un coût réduit, sans devoir faire appel à des processus spécifiques comme pour les CCD ;
● L’architecture des capteurs CMOS bénéficie des avancées au niveau de la finesse de gravure de l’électronique standard (~ 0.15 μm en 2005), conduisant à une meilleure miniaturisation. Ceci permet notamment d’obtenir une électronique plus réduite par rapport à la surface du pixel et donc d’augmenter le taux de remplissage. Ce dernier est très variable selon l’électronique interne de chaque pixel mais se situe généralement entre 40 et 70% environ. A noter que de nouvelles générations de CMOS amincis se profilent, avec CMOS.
CALAS : une caméra pour l’étude des grandes échelles de la surface solaire des taux de remplissage de 100%.
● Les tensions utilisées sont faibles (généralement 5 V ou 3.3 V) engendrant des consommations réduites (quelques centaines de mW tout au plus) et moins d’échauffement de l’électronique ;
● La vitesse de lecture est généralement plus importante, notamment concernant la lecture en mode fenêtrée où les pixels sont directement adressables (applications de cinématographie rapide). A titre d’exemple on peut citer (en 2006) des caméras commerciales atteignant, avec une carte d’acquisition adaptée, 500 images/seconde en résolution 1280 x 1024.
En outre, pour les applications les plus courantes (capteurs de photoscopes grand public) d’autres avantages s’ajoutent avec :
● La possibilité de rajouter des fonctions complémentaires (traitements de base) au niveau de l’électronique intra-pixel ;
● Une meilleure gestion des hautes lumière par un drain anti-éblouissement performant.
Notons enfin depuis 2006 l’apparition des premiers capteurs CMOS amincis éclairés par l’arrière (back illuminated) ce qui conduit à un coefficient de remplissage de 100% et une efficacité quantique rivalisant avec celle des CCD. Ces produits semblent prometteurs et méritent d’être suivis. Signalons par exemple la firme américaine Intevac commercialisant une caméra 10 bits et 1280 x 1024 pixels équipée d’un tel CMOS.

CMOS vs CCD : critères de choix

Outre les avantages abordés dans la section précédente, les principaux critères ayant servi au choix de la technologie CMOS en début du projet CALAS sont les suivants :
Vitesse et bruit de lecture :
Les détecteurs CCD utilisés en astronomie sont généralement lus à des vitesses modestes (qq. centaines de kHz) afin de générer un faible bruit de lecture. Si l’on considère quelques uns des rares capteurs de grande taille disponibles on constate les valeurs suivantes :
– Fairchild 485, 4k x 4k, vitesse max. 5 MHz sur 4 sorties, bruit de lecture de 16 e- ;
– Fairchild 486, 4k x 4k, vitesse max. 1 MHz sur 4 sorties, bruit de lecture de 10 e- ;
– E2V 4k x 4k, vitesse max. 3 MHz sur 4 sorties, bruit de lecture de 12 e- ;
– ImagerLabs, 4k x 4k, vitesse max. 3.2 MHz sur 4 sorties, bruit de lecture >10 e- ;
En comparaison, le capteur IBIS4-16000 permet une lecture à 10 Mhz pour un bruit d’environ 60 e- . On le voit, les vitesses de lecture des CCD sont généralement 2 à 10 fois moindres que pour le CMOS choisi. De plus, même si certains CCD (Thomson, Fairchild 595) ont depuis permis des vitesses égales ou supérieures, leur niveau de bruit reste de l’ordre de celui atteint avec le CMOS. Prix unitaire :
Ce critère vient étayer le précédent puisque, comme on l’a déjà vu, les CCD ont un coût largement supérieur à celui des CMOS.
Concernant le CMOS, le tirage des 6 wafers (galettes silicium) de nos cibles IBIS4-16000 (24 détecteurs potentiels, 9 détecteurs obtenus) a nécessité un budget de 32000 €, soit 3600 par détecteur. A noter que le budget était découpé en deux tranches de 20000 + 12000 Euros, le premier chiffre étant le coût des masques, le second celui du tirage. Ainsi un tirage de 6 wafers supplémentaires ne reviendrait qu’à 12000 €, abaissant le prix unitaire moyen aux alentours de 2000 à 6000 € (selon le nombre de capteurs effectivement fonctionnels obtenus).
D’autres détecteurs, les IBIS4-14000 (des détecteurs 14Mpixels de la même classe IBIS4, voir chap. 6.2), ont un coût unitaire d’environ 2000 €.
A titre de comparaison, les coûts des capteurs CCD de grandes dimensions mentionnés plus haut s’élèvent à plusieurs dizaines de milliers d’Euros.
Obturateur :
De par leur mode de lecture habituel (transfert pleine trame), les CCD nécessitent obligatoirement l’utilisation d’un obturateur rapide pour éviter l’effet de traînage (smearing). Bien qu’un obturateur répondant aux cahier des charges ait finalement été étudié, il n’est toutefois pas encore parvenu au stade de la réalisation.
Les CMOS, de par leur mode de lecture, ne nécessitent a-priori pas l’utilisation d’un obturateur, ce qui aboutit à une simplification du système. On l’a également vu précédemment, il est possible qu’un obturateur soit nécessaire par rapport à des aspects de cohérence temporelle, mais cette aspect n’est de toute façon pas aussi gênant que dans le cas d’un CCD. En outre, l’utilisation future possible de CMOS en mode global shutter (exposition simultanée sur toute la cible) tranche indubitablement en faveur des CMOS.

Le phénomène des franges d’interférences sur un capteur

De par leur conception, les capteurs CMOS ont généralement une couche d’oxyde métallique sur leur face avant au dessus de la couche de silicium. Cette couche, de quelques microns d’épaisseur, engendre des franges par phénomène d’interférence. De telles franges pourraient être gênantes dans le cadre de mesures photométriques notamment à l’aide de filtres interférentiels. C’est ce que je vais tâcher d’évaluer dans ce sous-chapitre.
Stefan Mochnacki et son équipe du département d’Astronomie et d’Astrophysique de l’Université de Toronto (Canada) ont réalisé des tests sur une cible IBIS4-14000 (similaire dans sa conception à nos cibles IBIS4-16000) mettant en évidence ces franges [Mochnacki 2006].
Ce phénomène de franges d’interférences peut donc engendrer des variations d’intensité du signal en fonction de la longueur d’onde d’observation ainsi que spatialement sur la surface du capteur (puisque la couche métallique n’a pas une épaisseur exactement constante sur toute sa surface – phénomène constaté lorsque l’on réalise une image en lumière monochromatique).
Cependant cet effet (assimilable à des variations de gain) ne semble pas foncièrement gênant puisque, étant constant dans le temps (intrinsèque à la surface de chaque capteur), influence sera corrigée lors de la division par l’image de PLU (flat).
Toutefois il m’a semblé intéressant d’évaluer cette variation d’intensité due aux interférences afin de voir si par exemple elle obligerait à modifier le temps de pose.
Il est possible de retrouver l’épaisseur moyenne de la couche métallique par la formule suivante : e= m−1 2n . 1 .m 1−m.

Détermination du gain de conversion

Il s’agit ici d’établir l’une des valeurs clés de la caméra : le rapport de conversion entre le nombre de photo-électrons collectés et le nombre d’ADU (Analog to Digital Unit).
Je n’ai pu mener à bien ce test sur la caméra CALAS en raison du retard de développement et d’une panne sur les cartes d’acquisition Coreco que nous n’avons pu résoudre à temps. Néanmoins j’ai étudié les deux principales techniques permettant d’estimer ce gain de conversion: la méthode par sources radioactives et la méthode de la variance-moyenne. Les voici exposées cidessous:

Méthode du Fe55 et du Cd109

Principe :
Les capteurs CCD et CMOS sont sensibles aux rayons X mous (allant de 0.1 à 10 KeV) qui, du fait de leur grande énergie, génèrent un plus grand nombre de charges dans le silicium que les photons visibles. Le nombre d’électrons générés dans le silicium par un photon X d’énergie E est n=E /3.65 (à température ambiante– Fraser et al, 1994).
La source la plus communément utilisée est l’isotope du Fer 26Fe29 55 (que nous noterons Fe55 ), émettant principalement des rayons X à trois niveaux d’énergie. Cet isotope émet des rayons X lorsque le noyau capture un électron, se transmutant en Mn (Manganèse). On voit dans le tableau 8 qu’environ 80% des photons X sont émis avec une énergie de 5.899 KeV, générant au sein du silicium un nuage de 1620 électrons de l’ordre du micromètre de diamètre. Les 20% restant sont en majorité des photons X d’énergie 6.49 KeV (nuage de 1778 électrons dans le silicium) avec une émission très minoritaire à un niveau de 4.12 Kev (1133 électrons).

Méthode de la Variance-Moyenne (Mean-Variance Method)

Cette méthode d’évaluation du gain de conversion de la caméra est comparativement plus simple que la précédente puisqu’elle n’utilise qu’une source de lumière blanche, qui doit cependant présenter une bonne homogénéité spatiale et une stabilité temporelle suffisante. On utilise une sphère intégrante munie d’une source lumineuse (halogène ou diode électro-luminescente par exemple) convenablement stabilisée. La méthode de calcul est ensuite basée sur des statistiques d’images. Je l’ai utilisée pour estimer le gain de la caméra Fci4-14000 (voir chap.6.2.4, page 103)
Elle repose sur le fait que le bruit dans une image augmente lorsque le signal augmente du fait de la présence du bruit de photons (bruit blanc à distribution de Poisson). Soit S le signal mesuré dans un pixel (en ADU) et G le gain de conversion recherché (en ADU/électrons), alors S est lié au nombre N d’électrons de signal par la relation: S=G×N bruit delecture Etant donné que le bruit de lecture a une moyenne nulle, le signal moyen 〈S 〉 est donné par: 〈S 〉=G×〈N 〉 et la variance du bruit par: variance du bruit=G2N 2 R 2.

La chaîne d’acquisition

Description de l’électronique

Le contrôleur

Le contrôleur est basé sur la carte séquenceur à DSP (Digital Signal Processing) d’un contrôleur de type ARC GenII. F. Beigbeder et G. Delaigue ont développé une carte convertisseur analogique/numérique 14 bits (à base de composante AD9240AS) à quatre canaux et interfaces LVDS (Low Voltage Differential Signaling). Cette carte ainsi que la carte driver d’horloges (latch, retards) ont été réalisées par la société Microtec (Toulouse).
Cette architecture sur quatre canaux (4 x 10 Mhz) permet de relier directement la sortie des convertisseurs aux quatre entrées LVDS de la carte d’acquisition, garantissant ainsi une vitesse de lecture optimale en contournant la limite intrinsèque de la timing board de 12.5 Mhz.
Les quatre sorties du capteur vers le convertisseur sont organisées de telle manière que les canaux sont entrelacés. Ceci permet la conversion plus rapide de chaque ligne du capteur puis l’acheminement des données vers la carte d’acquisition en quatre canaux au standard LVDS. Comme on le verra plus loin, c’est la carte d’acquisition qui sera chargée de reconstituer correctement l’ordre des canaux
constituant l’image.

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Table des matières

Introduction
1 De la physique solaire à CALAS
1.1 La surface du Soleil et sa dynamique
1.1.1 La photosphère
1.1.2 Méthodes observationnelles
1.1.2.1 Imagerie simple
1.1.2.2 Spectrohéliographie, spectropolarimétrie
1.1.2.3 Dopplergrammes
1.1.2.4 Magnétogrammes
1.1.3 La granulation et la mésogranulation
1.1.4 La supergranulation, le réseau chromosphérique
1.2 La caméra CALAS
1.2.1 Objectifs scientifiques
1.2.2 Le cahier des charges scientifique de CALAS
1.2.3 Situation internationale du projet
2 La Lunette Jean Rösch revisitée
2.1 Historique et résultats scientifiques
2.2 Description et qualité optique
2.3 Cuve à eau
2.3.1 Historique et fonctionnement de la cuve à eau
2.3.2 Conception de la nouvelle cuve à eau
2.4 Système de guidage
2.4.1 Historique et fonctionnement
2.4.2 Principe des prismes de guidage
2.5 La jouvence de la LJR
2.5.1 Le nouvel axe de déclinaison (axe δ)
2.5.2 La nouvelle motorisation deux axes
2.5.3 La lunette de pointage
2.5.4 Étude d’un scintillomètre (moniteur de seeing)
2.5.5 Le site Internet de la LJR
3 L’optique de CALAS
3.1 Étude optique
3.1.1 Contraintes
3.1.2 Voie imagerie
3.1.3 Voie Dopplergramme et magnétogramme
3.2 Le Filtre Magnéto-Optique
3.2.1 Rappels et définitions de polarimétrie
3.2.2 Principe d’une cellule MOF
3.2.3 Principe de la modulation magnétique
3.2.4 Principe de la modulation Doppler
3.2.5 Réalisation des Dopplergrammes et magnétogrammes
3.3 Calcul du temps d’exposition
3.4 Le système d’obturation
3.4.1 Obturateurs à effet de champ
3.4.1.1 Obturateurs à cellules de Kerr et de Pockels
3.4.1.2 Obturateurs à cristaux liquides FLC
3.4.2 Obturateurs mécaniques commerciaux
3.4.2.1 Obturateurs Uniblitz et identiques:
3.4.2.2 Obturateurs de récupération d’appareils 24×36
3.4.3 Étude d’un obturateur par l’IUT de Tarbes
3.5 Le banc optique et sa mécanique
3.5.1 Conception du banc optique
3.5.2 Mécanique de la caméra
4 Les capteurs CMOS et leur caractérisation
4.1 Capteurs CMOS/CCD et intérêt de la technologie CMOS
4.1.1 Principe de base d’un capteur au silicium
4.1.2 Fonctionnement d’un capteur CCD
4.1.3 Fonctionnement d’un capteur CMOS et principaux avantages
4.1.4 CMOS vs CCD : critères de choix
4.1.5 Le phénomène des franges d’interférences sur un capteur
4.2 Le capteur Fill Factory IBIS4-16000
4.3 Plan de test des détecteurs
4.3.1 Plan de classement cosmétique
4.3.1.1 Principe
4.3.1.2 Mise en oeuvre
4.3.2 Détermination du gain de conversion
4.3.2.1 Méthode du Fe55 et du Cd109
4.3.2.2 Méthode de la Variance-Moyenne (Mean-Variance Method)
4.3.3 Détermination de la linéarité
4.3.4 Détermination du Crosstalk
5 La chaîne d’acquisition
5.1 Description de l’électronique
5.1.1 Le contrôleur
5.1.2 Le système d’acquisition
5.1.3 Tests de validation du convertisseur
5.2 Description du système informatique
5.2.1 Système matériel
5.2.2 CALAS et CARUSO
6 Caméra spécifique ou caméra commerciale ?
6.1 Statut de la caméra CALAS et ses capteurs 16 Mpixels
6.2 Les détecteurs 14 Mpixels
6.2.1 Le capteur IBIS4-14000
6.2.2 La caméra FCi4-14000
6.2.3 Observations solaires avec la caméra Fci4-14000
6.2.4 Évaluation de la caméra FCi4-14000
7 Missions d’observations
7.1 Observations coordonnées (campagne JOP178 / DOT)
7.1.1 Instruments impliqués
7.1.2 Thèmes d’observations du JOP178
7.1.3 Observations au Dutch Open Telescope
7.1.4 Étude des mouvements photosphériques autour d’un filament
7.2 Observations à la LJR
7.2.1 Observations au DPSM
7.2.2 Article DPSM : ” Sub arcsec evolution of solar magnetic fields ”
7.2.3 Imagerie
7.2.4 Passage de Vénus 2004
8 Conclusion et perspectives
9 Articles
Bibliographie

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