Quantification du bruit
Nous proposons dans ce paragraphe une description des principales sources de bruit avec leur influence respective sur la qualité du signal.
Bruit de lecture
Le bruit de lecture est du à la fluctuation de photo-charges aux bornes de la capacité de type MOS constituée par le pixel (Figure 34).
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La fluctuation de charge aux bornes d'une capacité C est donnée par :
avec k la constante de Boltzmann
et T la température. Le nombre d'électron thermiques générés dans C constitue le bruit de lecture. Il est calculé en valeur rms.
Nous avons :
Par exemple, si nous avons C = 50 pF, alors on a :
-
= 2840 électrons à T = 230 K -
= 2709 électrons à T = 273 K
-
= 2503 électrons à T = 233 K
-
= 46 électrons à T = 77 K
-
= 10 électrons à T = 4 K
On constate qu'à température ambiante, le nombre d'électrons du bruit de lecture est considérable et que nous avons intérêt à refroidir le capteur afin de limiter sa valeur.
Le bruit de lecture conditionne la dynamique de stockage par pixel. En effet, la capacité de stockage est égale à
. La dynamique de stockage est alors définie par :
La dynamique de stockage est proportionnelle à la tension appliquée sur le pixel.
Bruit d'obscurité
Il dépend du temps d'accumulation des charges, c'est à dire du temps d'intégration du capteur, et du nombre d'électron d'obscurité par seconde du capteur. Nous avons ainsi :
Bruit de photons
Le bruit de photons est du à la nature quantique de la lumière. Un flux de photons est assimilable à un flux de particule arrivant avec un taux nph sur le détecteur (un pixel). Ce flux génère donc pendant la durée tINT un nombre de photons égal à Nph = n phtINT.
La probabilité de détecter n photons durant le temps d'intégration tINT est une distribution de Poisson, c'est à dire que :
La valeur moyenne de ce bruit est égale à :
et la variance de la statistique est :
La fluctuation de photons est donc en racine du nombre de photons. Pour un flux lumineux F incident sur le pixel nous en déduisons le nombre de photo électrons du bruit de photons exprimé par :
avec :
-
constante de Planck : h = 6,6256x10-34 J.s
-
vitesse de la lumière : c = 299792458 m.s-1
-
efficacité quantique du pixel -
longueur d'onde de la lumière
Bruit de numérisation
Le bruit de numérisation dépend du nombre d'électrons à saturation (Nsat) et du nombre de bits de numérisation (Nbits). Pour un échelon de quantification
, la statistique de l'erreur de quantification est une loi uniforme sur
dont la variance est
. Le nombre de niveaux de quantification est égal à
. Le nombre délectons correspondant à un échelon de quantification est donc égal à :
d'où l'on peut déduire l'expression du bruit de quantification :