Influence du refroidissement Peltier sur la caractérisation de l’IMX477

Rapport de synthèse — IMX477 · campagne Peltier6 octobre 2026Mesures, figures et conclusions de la campagne EIP. Consulter le rapport PDF

1. Question scientifique et périmètre

Que change réellement le passage d’environ 26 °C à 0–1 °C dans les mesures de l’IMX477 ? Cette étude prolonge la caractérisation initiale de la Raspberry Pi HQ. J’examine les caractéristiques générales du capteur, puis les signatures d’obscurité qui empêchaient de séparer le courant d’obscurité typique des déplacements instrumentaux du fond.

EIP assure l’acquisition, la conservation des mesures et l’application reproductible des traitements. Les deux campagnes du 6 octobre 2026 utilisent la même caméra, selon la continuité du montage confirmée par l’auteur. Elles comparent une ventilation seule et un refroidisseur Peltier au maximum. Les conclusions concernent cette expérience, pas tous les IMX477 : une observation entre deux campagnes n’est pas une causalité démontrée.

2. Montage thermique et protocole expérimental

Du montage ventilé au couplage Peltier

La référence chaude est acquise sans Peltier actif, dans une ambiance de l’ordre de 23 à 24 °C. Deux ventilateurs d’appoint soufflent vers l’arrière du circuit imprimé (PCB, Printed Circuit Board) de la HQ afin de limiter l’auto-échauffement. La présence physique du refroidisseur ne signifie pas qu’il soit alimenté.

Le refroidisseur pour smartphone réunit module thermoélectrique, ventilateur côté chaud et électronique. La campagne froide est réalisée avec le refroidisseur réglé à sa puissance maximale, sans asservissement en température. Le module porte le marquage FZ-2302 et mesure environ 25 × 25 × 4,64 mm ; l’épaisseur exclut l’encollage et l’interface côté ventilateur. Sa référence commerciale exacte et ses caractéristiques électriques propres n’ont pas été établies. La tension aux bornes n’a pas été mesurée. Aucune tension ou courant nominal, puissance frigorifique maximale, différence maximale de température ou efficacité n’est déduite du marquage.

La face de contact prévue pour le téléphone est retirée et la pâte nettoyée. Un pad thermique assure ensuite le couplage thermique avec l’arrière du PCB : le transfert passe par l’interface et la structure de la caméra, sans contact direct avec le silicium. L’effet Peltier déplace la chaleur vers la face chaude ; le ventilateur intégré doit l’évacuer.

Consommation de l’ensemble

La puissance instantanée est mesurée à la prise, en amont du bloc 230 V → USB-C, avec un wattmètre GreenBlue GB620 E, ASIN B0DGQLWCCN. Le constructeur annonce une plage d’environ 0,3 à 3680 W et une précision sur la puissance de ±2 %. Ce n’est ni un étalonnage indépendant ni un budget complet d’incertitude.

Le surcroît observé est d’environ 9,3 W. Il englobe le Peltier, son ventilateur, son électronique et les différences de pertes de l’alimentation. Ni 9,3 W ni 14,0 W ne représentent la puissance du Peltier seul. Les répétitions, la stabilité de lecture et la charge du Pi ne sont pas documentées ; aucune incertitude de la différence ou énergie totale de campagne n’est calculée.

Acquisition et échantillonnage

Les deux campagnes utilisent des données brutes (RAW) 12 bits, 4056 × 3040 pixels, plein champ. La matrice de filtres colorés (CFA) est BGGR. Le niveau noir de référence est 256 ADU (unités numériques), le code blanc 4095, soit 3839 niveaux au-dessus du noir. Le gain analogique des images d’obscurité longues est 1.

Huit durées sont étudiées : 0,1 ; 1 ; 5 ; 10 ; 30 ; 60 ; 120 et 300 s. Chaque palier comporte dix images, soit 80 par campagne. L’ordre d’acquisition alterne les durées et prévoit 60 s de repos thermique entre paliers. Il réduit la confusion entre durée et échauffement, sans constituer une randomisation ou des répétitions indépendantes chaud/froid.

Pour les statistiques temporelles, 16 060 positions sont suivies de manière identique dans les deux campagnes ; les quatre phases de Bayer sont représentées. L’analyse spatiale de la section 7 porte, elle, sur le plein capteur.

La courbe de transfert photonique utilise douze niveaux par gain, vingt images par niveau, soit dix paires. Le bruit de lecture est estimé sur cinquante images d’obscurité courtes par gain, soit vingt-cinq paires. Au total, les huit gains fournissent 960 paires pour la courbe de transfert et 200 pour le bruit, sans rejet pour non-comparabilité. La grille d’exposition de la référence chaude est réglée manuellement, celle de la campagne froide automatiquement : l’éclairement n’est pas strictement identique.

3. Températures effectivement obtenues

Chaque série longue possède 72 températures disponibles sur 80 images. La première image de chaque palier est sans mesure thermique ; l’image elle-même est conservée. Aucune valeur manquante n’est interpolée. Les plages sont 25–27 °C à chaud et 0–1 °C à froid, avec des moyennes d’environ 26,03 °C et 0,43 °C.

Ces moyennes peuvent avoir des décimales alors que la mesure thermique est quantifiée au degré. Elles résument plusieurs lectures entières ; elles n’améliorent pas la résolution du thermomètre.

Ces plages ne décrivent pas toutes les acquisitions. À gain 1, les paires de bruit de lecture couvrent 23–26 °C à chaud et 0–2 °C à froid ; la courbe de transfert couvre 24–27 °C et 0–2 °C. Selon les gains, les températures agrégées des paires atteignent 30 °C et 3 °C.

4. Paramètres généraux du capteur

Ces paramètres servent à situer la comparaison, non à refaire toute la caractérisation du premier article. Les valeurs restent du même ordre ; les différences observées ne suffisent pas à démontrer une dépendance thermique.

Courbe de transfert photonique à gain 1

La courbe de transfert photonique (PTC, Photon Transfer Curve) relie la variance temporelle au niveau moyen du signal dans la zone linéaire. Le gain de conversion K exprime la conversion en électrons par ADU. Les erreurs standard de l’ajustement sont ±0,001084 e⁻/ADU à chaud et ±0,001348 à froid ; elles ne représentent pas une incertitude instrumentale totale.

Les coefficients de détermination R² valent respectivement 0,99999848 et 0,99999692. Sur douze niveaux acquis, neuf sont retenus à chaud et onze à froid ; trois et un sont rejetés. Les ajustements sont très linéaires, mais leurs domaines et leur approche de saturation diffèrent. Une confusion thermique est signalée à gain 1 dans la référence chaude. La légère différence de K reste une observation, pas un effet causal établi du refroidissement.

Bruit de lecture par différences de paires

Pour deux images comparables A et B, sous l’hypothèse de fluctuations indépendantes de même variance, le bruit de lecture est estimé par l’écart-type de leur différence, divisé par √2 :

La conversion en électrons utilise le K mesuré au gain concerné, pas une extrapolation du seul gain 1 :

Les unités sont cohérentes : (e⁻/ADU) × ADU = e⁻. À gain 1, les bruits numériques sont 1,511603 ADU à chaud et 1,466384 à froid. Les différences de paires séparent une dispersion de lecture d’un niveau de base fixe, mais leur comparaison reste liée aux températures, aux conditions de lecture et à K. Aucun intervalle d’incertitude comparative ne permet ici d’attribuer la différence au refroidissement.

Huit gains, sans rupture démontrée

Les gains effectifs sont identiques : 1 ; 1,556231 ; 2,426540 ; 3,778598 ; 5,885057 ; 9,142858 ; 14,222222 ; 22,260870. Le comportement retenu est continu et monotone dans les deux états. Pour départager un modèle continu et un modèle avec rupture, le critère d’information bayésien (BIC, Bayesian Information Criterion) tient compte à la fois de l’ajustement et de la complexité du modèle.

La convention est ici ΔBIC = BIC du modèle continu − BIC du modèle à rupture. Les valeurs −8,05165 à chaud et −5,86966 à froid favorisent donc le modèle continu. Le rééchantillonnage statistique, avec 2 000 répétitions, donne p = 0,51524 et 0,59720. Aucune rupture n’est statistiquement établie sur ces huit gains. Cela ne prouve pas l’absence d’une transition hors de la plage étudiée ou sous la sensibilité du protocole.

5. Recherche du courant d’obscurité

Modèle du niveau moyen

À chaque position i, les dix images d’un palier sont moyennées. Une régression linéaire sur les huit durées d’exposition décrit ensuite ce niveau moyen :

y_i(t) est le niveau moyen à la durée t, en ADU ; a_i est le niveau initial estimé, ou ordonnée à l’origine ; m_i est une pente apparente en ADU/pixel/s.

Une pente positive peut contenir une contribution du courant d’obscurité, mais aussi une dérive du niveau noir, un déplacement électronique ou une contribution commune à de nombreux pixels. Une dérive du piédestal ou du mode commun peut donc modifier le niveau moyen. m_i n’est pas automatiquement un courant physique.

Critère global de pente positive

Le diagnostic global du niveau de base est distinct de la distribution des pentes individuelles. Le critère recherche spécifiquement une pente positive supérieure à 1,96 fois son erreur standard :

σ_m désigne l’erreur standard de la pente globale. Il s’agit du critère utilisé dans cette étude, non d’un test bilatéral d’absence de toute dérive.

Les deux pentes sont négatives. À froid, z = m_global / σ_m ≈ −2,2403 : ce signe ne satisfait pas la recherche d’une pente positive. Le critère ne détecte donc aucune pente positive significative, mais ne teste pas l’absence de toute dérive. Une dérive négative reste possible.

6. Distribution des pentes et pixels chauds

La population des pentes {m_i} est résumée par sa médiane, ses percentiles et une dispersion robuste. Les quantiles sont interpolés dans cette population mesurée. p90 et p99 sont moins élevés à froid sur les mêmes positions et avec le même estimateur : ils décrivent la queue positive, pas un courant typique. Aucun intervalle de confiance de leur différence n’est disponible.

Les pixels chauds temporels sont les positions dont la pente dépasse un seuil T dépendant de la distribution :

m̃ est la médiane des pentes. La MAD (Median Absolute Deviation) est la médiane des écarts absolus à cette médiane : MAD = médiane(|m_i − m̃|). La première branche du maximum fixe le seuil dans les deux campagnes.

Le seuil réalisé est plus élevé à froid : environ 0,05443 ADU/pixel/s à chaud contre 0,05756 à froid. 75 contre 23 n’est donc pas une comparaison à seuil fixe. On ne peut affirmer ni l’élimination de 52 pixels physiques ni une division de leur population par trois.

7. Structures spatiales à 300 s

Pour chaque campagne, dix images de 300 s sont combinées par médiane temporelle entière en un master plein capteur, 4056 × 3040, avec la CFA BGGR conservée. Le gain analogique est 1 et le gain numérique proche de 1. Une structure basse fréquence est ensuite évaluée sur une grille régulière ; cette carte dérivée n’est pas le master.

Après moyenne des quatre positions de chaque cellule Bayer 2 × 2, des médianes de blocs estiment la composante basse fréquence. La maille correspond à 64 × 64 pixels du capteur, soit 32 × 32 cellules Bayer, sur une grille de 64 × 48 blocs avec blocs partiels aux bords. Un masque exclut les valeurs extrêmes au-delà du percentile p99,9 et les saturations. La règle de rejet est identique, mais les seuils réalisés sont 300 ADU à chaud et 282 ADU à froid : les pixels retenus ne sont pas strictement les mêmes.

Les cellules sont affichées au plus proche voisin, sans interpolation ni anticrénelage, afin de ne pas suggérer une résolution spatiale supérieure à celle de l’estimateur. L’écrêtage concerne seulement le rendu ; les valeurs mesurées sont conservées.

Les RMS sont arrondis à six décimales dans ce tableau. Les valeurs non arrondies sont, par lignes, 0,244532878 et 0,204825132 ADU ; par colonnes, 0,031309741 et 0,022888862 ADU. Elles concernent les dix images de chaque campagne comparée ici, et non l’étude historique à vingt images du premier article.

Les profils sont calculés après moyenne Bayer 2 × 2 et retrait de la médiane du bloc local. Une médiane selon chaque axe donne un profil par lignes et un profil par colonnes, chacun centré sur sa moyenne arithmétique. Ce sont des statistiques spatiales du master, pas une variance temporelle.

Pour un profil centré de N valeurs x_i, le RMS (Root Mean Square) mesure l’amplitude typique des variations autour du niveau moyen :

Dans ce cas, il correspond à l’écart-type de population. Les métriques sont moins élevées dans la campagne froide, mais les motifs persistent. Les valeurs sous l’ADU résultent des agrégations et des statistiques ; la quantification d’un RAW individuel reste à 1 ADU. La comparaison est descriptive, pas une mesure causale pure.

8. Comparabilité et limites expérimentales

• Seulement deux campagnes, non randomisées, sans alternance chaud/froid répétée ni répétitions thermiques indépendantes.
• Aucune régulation thermostatique. L’ambiance froide, l’humidité et la température de face froide ne sont pas documentées ; aucune absence de condensation n’est affirmée.
• Une température manque pour la première image de chaque palier ; les plages des longues poses ne décrivent pas toutes les paires de bruit ou de PTC.
• Éclairement et grilles d’exposition PTC non strictement identiques ; domaines retenus différents et confusion thermique signalée à gain 1 chaud.
• Même règle de masque spatial, mais seuils adaptatifs et pixels retenus différents. Les seuils des pixels chauds temporels diffèrent également.
• L’état de la correction des pixels défectueux (DPC, Defect Pixel Correction) n’est pas démontré identique partout. Sa désactivation dans des essais du premier article n’est pas généralisable à toutes les acquisitions froides.
• Les gains numériques sont proches de 1 ; cela ne démontre pas une identité parfaite de toute la chaîne de lecture.

Le socle commun — caméra, durées, gains analogiques et positions suivies — rend la comparaison pertinente. Il ne suffit pas à isoler la température des autres conditions. Les erreurs standard des ajustements ne remplacent pas un budget d’incertitude couvrant ces différences expérimentales. Ni une loi thermique du courant typique ni une attribution de l’origine des motifs ne peut en être déduite.

9. Ce que le refroidissement permet de conclure

Observé

Le refroidisseur au maximum permet des acquisitions longues avec une température de 0 à 1 °C, contre 25 à 27 °C sous ventilation seule. La queue positive des pentes apparentes est moins élevée ; plusieurs métriques spatiales sont réduites et moins de positions temporelles sont signalées comme atypiques, avec un seuil différent. Le gain de conversion et le bruit restent du même ordre. Les motifs spatiaux sont toujours présents.

Non démontré

Ces deux campagnes n’établissent ni une loi causale thermique, ni une modification physique de K ou du bruit attribuable au froid, ni l’origine des motifs. Le courant d’obscurité typique demeure non résolu : on ne peut pas conclure qu’il est nul. Aucune borne supérieure validée n’est obtenue. Ce résultat est une limite de séparation des contributions, pas une absence d’analyse.

À mesurer ensuite

La priorité est une étude plus sensible, répétée et capable de distinguer contributions thermiques et dérives communes. Deux campagnes ne constituent pas une caractérisation thermique complète.

10. Suite de l’étude

Le prochain article posera la question : « Comment mesurer un courant d’obscurité presque invisible ? » Le protocole envisagé confrontera variance temporelle et différences de paires, retrait du mode commun et analyse séparée des phases CFA. Il devra établir ses répétitions et sa sensibilité avant de proposer une mesure, ou une borne supérieure si aucune pente positive crédible n’est détectée. Aucun résultat de cette future étude n’est considéré comme acquis.

Sources consultées le 7 octobre 2026. Les deux versions reposent sur les mêmes données, les mêmes résultats et les mêmes limites. Seule la manière de les expliquer diffère.