Brevet FR2625396A1 — publié le 19890630

La présente invention concerne un procédé et un dispo- sitif pour déterminer automatiquement et avec grande précision, la position du centre d'un signal lumineux ou photon reçu sur la surface sensible d'un dispositif à& couplage de charges (dispositif CCD) bidimensionnel. Un dispositif à couplage de charges est un dispositif à mosaïque photosensible qui, en réponse à un photon incident, produit un signal video consistant en une suite d'impulsions dont les amplitudes individuelles sont proportionnelles à la quantité d'énergie du pho- ton dans chaque élément sensible individuel de la mo- saique sensible du dispositif. Un tel dispositif est employé notamment dans des détecteurs à mosaïque uti- lisés en astronomie et dans la technique spatiale comme chambre de prise de vues d'astres faibles ou dé- tecteur pour interféromètre optique par exemple. Les détecteurs à mosaïque comportant un grand nombre d'éléments sensibles de la nouvelle génération ont été combinés à des intensificateurs d'image et à des microprocesseurs à vitesse élevée pour réaliser des dispositifs et instruments de poursuite d'astres capables de suivre simultanément plusieurs astres. Dans ces dispositifs destinés à des missions spatia- les, il est essentiel de garantir un pouvoir de sépa- ration temporel élevé tel que l'offrent les disposi- tifs à couplage de charges de plus petite surface sensible tout en offrant une grande surface d'image effective. L'obtention d'un pouvoir de séparation élevé impose que la position des photons incidents soit déterminée et enregistrée avec une grande précision, en fait une précision égale à une fraction d'élément d'image. Un procédé pour déterminer avec une bonne précision la position des photons incidents est décrit par A. Boksenberg, C.I. Coleman, J. Fordham et K. Shortridge dans "Interpolative Centroiding in CCD- Based Image Photon Counting Systems", Advances in Electronics and Electron Physics (Adv. E.E.P.), Vol. 64A, 1985. Suivant ce procédé, les signaux video du dispositif à couplage de charges, après amplification, sont convertis en signaux numériques puis utilisés pour construire une image numérique bidimensionnelle pour chaque photon incident. Cette image numérique est réalisée dans un réseau de cinq registres à décalage dont les cinq derniers étages sont rendus accessibles pour constituer un réseau d'analyse de données 5 x 5. Les cellules de ce réseau d'analyse sont scrutées cy- cliquement et leurs contenus sont utilisés pour calcu- ler les coordonnées de la position du centre du photon (point correspondant à l'amplitude lumineuse de crête) par application d'algorithmes itératifs relativement compliqués et longs. Outre que le temps de traitement est long, les algorithmes connus ne donnent pas de précision satisfaisante vers les limites des éléments sensibles du dispositif à couplage de charges. L'invention a pour objet un procédé pour déterminer avec une grande précision la position du centre d'un photon, qui soit simple à mettre en oeuvre et qui soit rapide tout en assurant une excellente qualité d'ima- ge. Le procédé et le dispositif selon l'invention sont définis dans les revendications ci-annexées. L'invention a pour avantage d'augmenter la vitesse de traitement du signal de photon et d'être adaptable à la forme du signal de photon amplifié et de permettre l'utilisation de la nouvelle génération de détecteurs à couplage de charges bidimensionnels sensibles combi- nés à un intensificateur de signal tout en assurant un pouvoir de séparation temporel élevé. Des applications en dehors du domaine de l'astronomie optique sont également envisageables, par exemple le détecteur suivant un cristal de NaI qui convertit les photons de rayons X incidents en photons optiques se- condaires, des détecteurs à vision nocturne pour ap- plications militaires et même des applications médica- les dans lesquelles certaines réactions chimiques im- portantes sont actuellement réputées être photolumi- nescentes, quoique à très faibles niveaux lumineux. L'invention est exposée dans ce qui suit à l'aide des dessins ci-annexés dans lesquels: - La figure 1 est un schéma par blocs du dispositif selon l'invention; - La figure 2 illustre la zone d'illumination de la mosaïque d'un détecteur à couplage de charges par un photon; - La figure 3 montre un profil de distribution gaus- sien de la charge produite par un photon incident. L'incidence d'un photon est détectée dans un détecteur à couplage de charges (dispositif connu en soi) qui produit un signal video constitué d'une suite d'impul- sions dont les amplitudes sont proportionnelles à la charge reçu par chaque élément sensible. Le signal vi- deo est converti dans un convertisseur analogique/nu- mérique en un flux de signaux binaires qui est lui- même converti en une image numérique bidimensionnelle au moyen d'un réseau d'analyse de données constitué d'étages de registres à décalage. Se reportant à la figure 1, le flux de signaux binai- res D provenant du convertisseur analogique/numérique est reçu séquentiellement et périodiquement dans un ensemble de registres à décalage 1 répartis sur trois rangées. Les trois derniers étages de ces registres sont représentés individuellement et identifiés par les notations de référence A1B1 C1 A2 B2 C2 A3 B3 C3. Ce procédé de lecture de la mosaïque sensible d'un détecteur à couplage de charges est décrit dans la publication de A. Boksenberg et al précitée. Dans le dispositif selon l'invention, cependant, le réseau d'analyse 2 est un réseau 3 x 3 seulement, ce qui suffit pour le procédé de traitement de données selon l'invention ainsi qu'on le verra plus loin. Si l'on considère que le spot d'un photon incident s'étend sur plusieurs cellules formant une surface 3 x 3 comme illustré à la figure 2 et si l'on consi- dère que l'intensité lumineuse du spot a grosso modo une distribution gaussienne (voir figure 3), alors & chaque période du cycle de lecture de la surface sensible du détecteur, l'étage B2 situé au croisement de la rangée médiane et de la colonne méc se dans le réseau 2 contient le signal d'amplitude maximum du spot. Le but du procédé selon l'invention est de re- connaitre si le signal dans l'étage B2 est valable et de déterminer la position du centre de la tache du photon avec une précision égale à un quart de l'élé- ment d'image médian B2. Suivant l'invention, on extrait en permanence les si- gnaux contenus à chaque période dans les étages B1 B2 B3 de la colonne médiane et dans les étages A2 B2 C2 de la rangée médiane pour qu'il soit vérifié si ces signaux représentent un photon valable suivant un critère prédéterminé et dans le cas o ils représen- tent effectivement un photon valable, pour déterminer automatiquement les coordonnées de la position du centre du photon. Si N1, N2 et N sont les niveaux des signaux contenus dans les trois étages contigus d'une rangée ou d'une colonne, et si le seuil de validité S est une fraction du niveau de crête (figure 3), le critère choisi pour considérer un photon comme valable est: N! N1 ( N2 ((1) N31 N2 N3 $N2 (2) N2 > seuilS (3) N1 > o(4 (4) N3 > o (5) (5) Plus particulièrement, les signaux contenus dans les étages B1 B2 B3 de la colonne médiane sont extraits et forment une adresse binaire qui est appliquée aux en- trées d'adresse de mémoires mortes programmables (PROM) contenant une table de consultation de colonne 3. Les signaux contenus dans les étages A2 B2 C2 de la rangée médiane sont extraits et forment une adresse binaire qui est appliquée aux entrées d'adresse de mé- moires mortes programmables contenant une table de consultation de rangée 4. Avec des signaux à cinq bits, chaque table de consultation a 215 ou 32768 adresses et chaque adresse contient une valeur calcu- lée prédéterminée. Chaque valeur mémorisée correspond à l'une des 32768 combinaisons possibles des signaux Ni, N2 et N3 et chaque valeur indique d'une part la position dans un élément d'image, de l'amplitude de crête du signal video en supposant un profil de distribution gaussien, et d'autre part si la combinaison en question est va- lable selon les équations (1) - (5) ou non. Chaque valeur est calculée pour plusieurs niveaux de seuil différents, par exemple six niveaux de seuil. Les mémoires mortes 3 et 4 ont huit sorties. Deux sor- ties (31-32, 41-42) donnent la position dans un élé- ment d'image, lue à l'adresse indiquée. Chacune des six autres sorties (33-38, 43-48) de chaque table de consultation est utilisée pour un bit de contrôle indiquant, pour un seuil de validité différent, si le signal reçu est valable. On observera que chaque posi- tion donnée est indépendante du seuil choisi et la valeur de celui-ci peut être sélectionnée à distance. Les deux bits de contrôle obtenus simultanément des tables 3 et 4 sont combinés logiquement dans un cir- cuit-ET 4 qui produit un signal de validation V lors- que les deux bits de contrôle sont dans l'état 1, c'est-à-dire lorsqu'ils indiquent tous deux un signal de photon valable. Le signal de validation V sert à valider un additionneur (non représenté) pour ajouter la position relative à l'adresse absolue de l'élément d'image contenant la crête du signal de photon, c'est- à-dire l'adresse de l'élément d'image B2. Des essais sur un mode de réalisation exemplaire uti- lisant une digitalisation avec cinq bits ont montré que le dispositif selon l'invention est capable de dé- terminer la position du centre du spot d'un photon avec une précision de 1/4 d'élément d'image et dans un grand nombre de cas même, avec une précision de 1/8 d'élément d'image. Cet ordre de précision est compara- ble à celui que l'on obtient avec le procédé de déter- mination du centre du spot décrit par A. Boksenberg et al, qui utilise une digitalisation avec huit bits, ce qui exige des mémoires de plus grandes capacités. Le résultat obtenu grace à l'invention souligne le pro- grès apporté dans le domaine de l'art par la présente invention. On peut attendre une précision encore me-illeure en utilisant une digitalisation au moyen d'un nombre de bits supérieur à cinq. Un tel mode d'exécution requiert évidemment des mémoires de plus grandes capacités. R E V E N D I C A T IONS 1. Procédé pour déterminer la position du centre d'un signal lumineux reçu dans un détecteur à mosaique à couplage de charges, le signal lumineux étant digita- lisé en un flux de signaux numériques (D) qui est en- suite reçu séquentiellement dans un réseau de regis- tres à décalage dont plusieurs derniers étages sont rendus accessibles pour former un réseau d'analyse de données, caractérisé en ce qu'on rend accessible 3 x 3 derniers étages des registres à décalage pour former le réseau d'analyse de données (2); en ce qu'on extrait périodiquement les contenus des trois avant-derniers étages (B1 B2 B3) dans les trois rangées du réseau (2) et les contenus des trois der- niers étages (A2 B2 C2) de la rangée médiane dudit ré- seau (2); en ce qu'on mémorise une première table (3) contenant un nombre donné d'informations correspondant chacune à une combinaison distincte de signaux (B1 B2 B3) conte- nus dans lesdits trois avant-derniers étages du réseau d'analyse (2), chaque information comprenant les coor- données d'une position distincte suivant la direction verticale et un signal de contrôle indiquant si la combinaison de signaux (B1 B2 B3) correspondante est valable ou non, en ce qu'on mémorise une seconde table (4) contenant un nombre donné d'informations correspondant chacune à une combinaison distincte de signaux (A2 B2 C2) conte- nus dans lesdits trois derniers étages de la rangée médiane du réseau d'analyse (2), chaque information comprenant les coordonnées d'une position distincte suivant la direction horizontale et un signal de con- trôle indiquant si la combinaison de signaux (A2 B2 C2) est valable ou non, en ce que les signaux extraits desdits étages (B1 B2 B3) servent à adresser la première table (3) afin de lire l'information contenue à cette adresse et les signaux extraits desdits étages (A2 B2 C2) servent à adresser la seconde table (4) afin de lire l'informa- tion contenue à cette adresse, et en ce que les informations lues simultanément dans les tables (3 et 4) sont prises en considération pour dé- terminer la position relative du centre du signal lumineux incident lorsque les deux signaux de contrôle correspondants indiquent une combinaison valable. 2. Dispositif pour déterminer la position du centre d'un signal lumineux reçu dans un détecteur à couplage de charges, ledit signal lumineux étant digitalisé en un flux de signaux numériques, le flux de signaux numériques étant reçu séquentiellement dans un réseau de registres à décalage dont plusieurs derniers étages forment un réseau d'analyse de données, caractérisé en ce que le réseau d'analyse (2) comprend 3 x 3 étages et en ce que les trois avant-derniers étages (B1 B2 B3) du réseau sont connectés à trois entrées d'adresse d'une.première mémoire (3) contenant une table de consultation de colonne, et les trois derniers étages de la rangée médiane (A2 B2 C2) dudit réseau d'analyse (2) sont connectés à trois entrées d'adresse d'une seconde mémoire (4) contenant une table de consulta- tion de rangée, chaque adresse de chacune desdites mémoires (3, 4) contenant une information comprenant une position dis- tincte correspondant à une combinaison distincte des signaux extraits desdits étages (B1 B2 B3, A2 B2 C2) et un signal de contrôle indiquant si la combinaison distincte correspondante est valable ou non, les sorties de signal de contrôle (32-38, 42-48) des deux mémoires (3, 4) étant connectées aux entrées d'un circuit-ET (5) pour produire un signal de validation (V) lorsque les deux signaux de contrôle indiquent des combinaisons valables, ledit signal de validation (V) servant à autoriser la prise en considération des si- gnaux de position lus dans les mémoires (3 et 4).