Mars 2000

François Cochard

Etude du niveau du signal thermique dans une Audine

en fonction de la température et du temps de pose.

Objet de l’étude :

Essayant de maîtriser le prétraitement d’images réalisées avec une Audine, j’ai souhaité mieux comprendre l’influence de la température du CCD et du temps de pose sur le niveau du signal thermique, ainsi que sur les bruits associés.

Une image brute conduit à une valeur pour chacun des pixels de la caméra. Cette valeur brute peut se décomposer en :

• Un signal d’offset (lié à la chaine de mesure du pixel, si j’ai bien compris). Cette valeur d’offset peut s’obtenir en faisant une image à temps de pose nul, et dans l’obscurité totale.
• Un signal thermique lié à l’agitation thermique dans le CCD lui-même. Ce signal est lié à la température du CCD et au temps de pose de l’image ; C’est l’objet de cette étude.
• Un signal effectif, venant de l’objet observé. En fin de compte, c’est ce signal que l’on veut isoler, puisque c’est lui qui est significatif. A noter que ce signal contient la lumière du fond du ciel (parasite...) et que le signal réellement intéressant est encore proportionnel à la sensibilité propre de chacun des pixels (d’où la nécéssité de réaliser de flats).

J’ai voulu ici prendre le temps de mieux connaître le signal thermique. Pour cela, j’ai fait une série de poses à des températures différentes du CCD, et avec plusieurs temps de pose.

Mode opératoire :

• J’ai utilisé une caméra CCD Audine (KAF0400) dans l’obscurité (mais de jour). J’ai pris un soin particulier pour éviter tout lumière parasite (je sais que ma caméra présentes de petites " fuites " autour du porte-filtre), tout en permettant au ventilateur de fonctionner correctement, et de brasser un volume d’air suffisant.
• Je dispose d’une alimentation dédiée qui permet la régulation du peltier en fonction de la température du CCD. Dans les conditions d’utilisation où j’étais, j’ai pu garantir une stabilité de la température entre –10°C et +19°C (Mon alimentation, qui alimente le peltier en courant me permet un delta de température de 30°C entre température ambiante et température du CCD.
• Pour chaque température, j’ai pris le temps de laisser stabiliser la caméra (environ 15 minutes), puis fait une série d’images de différentes durées : 0 s (Offset), 10, 30 secondes, puis 1, 3, 7 et 10 minutes.
• J’ai utilisé le logiciel Pisco pour l’acquisition, et Iris pour mesurer le niveau des images (fonction BG) et du bruit (fonction BGNOISE).

Mesures et résultats :

Le premier tableau ci-dessous résume les valeurs moyenne (ou médiane ?) dans l’image, pour chaque température et chaque durée. Cette valeur moyenne est le résultat de la fonction BG dans IRIS.

Note : Vous observerez qu’il y a deux séries d’images à +2°C. La seconde série (incomplète) a été refaite en fin de journée, pour évaluer la répétabilité des mesures. Vu la proximité des mesures à +2°C, réalisées à plusieurs heures d’intervalle, et en ayant modifié la température entre-temps, je considère que ces résultats sont tout à fait fiables. Dans les graphiques qui suivent, je n’ai pas représent cette seconde série de valeur à +2°C.

Ce second tableau contient maintenant les valeurs de bruit RMS de chaque image (fonction BGNOISE de IRIS).

Représentations graphiques, et interprétation :

Avant tout, je rappelle que la chaine de mesure de Audine a une dynamique de 32767 (C ‘est à dire que la valeur maximum d’un pixel avant saturation). Le niveau des offsets (cf premier tableau : de l’ordre de 2190) correspond donc à environ 6.7% de la dynamique totale.

Ce premier graphique présente le niveau du signal thermique en fonction du temps d’exposition :

Tout d’abord, on observe bien que le niveau de l’image augmente linéairement en fonction du temps de pose. Ensuite, on voit que la température du CCD influe très fortement sur la vitesse de montée du signal thermique.

Je propose maintenant une présentation différente de ces mêmes valeurs : Chaque courbe représente maintenant un temps d’exposition (et non plus une température).

On constate maintenant que l’augmentation du niveau thermique est très sensible à la température du CCD : Il n’évolue plus linéairement, mais quasi-exponentiellement. Si l’on considère qu’une pose de 10 minutes est déjà une longue pose en CCD, on peut admettre qu’un refroidissement à moins de +2°C est nécessaire, pour contenir le signal thermique dans des limites acceptables (sans trop perdre de dynamique). Evidemment, plus on peut refroidir, mieux ce sera !

Arrêtons-nous quelques instants sur le niveau des offsets (poses à 0 secondes). Le graphe qui suit ne montre que cette courbe, à différentes températures (cette courbe est en fait contenue dans le premier graphique) :

On constate, jusqu’à 5°C une très faible sensibilité de l’offset à la température. La variation de quelques unités, d’un point à l’autre, est probablement due à une incertitude de mesure ; il faudrait faire une mesure statistique, basée sur plusieurs images (je rappelle que je n’ai pris ici qu’uen seule image). La marche à +2°C vient du fait que cette mesure a été faite deux fois (voir présentation): elle donne une idée de cette incertitude de mesure. Par contre, à partir de 10°C, il apparaît que la température du CCD commence à avoir une influence significative. Moralité : Refroidissez votre CCD à moins de 10°C !

Venons-en maintenant au niveau de bruit. J’ai pour cela utilisé, sur les mêmes images la fonction BGNOISE, au lieu de BG.

En fonction du temps de pose, cela donne :

Là encore, bien sûr, le niveau de bruit est linéairement dépendant du temps de pose. Les mêmes données, présentées en fonction de la température donnent :

De nouveau , on observe une forte sensibilité du bruit à la température du CCD !

Merci de me transmettre vos commentaires: francois.cochard@wanadoo.fr