Caractérisation expérimentale du Sony IMX477 de la Raspberry Pi HQ

Quelle relation peut-on établir entre le signal RAW, la charge mesurée et les limites de cette caméra ? Cette lecture présente le protocole, les estimateurs et les résultats de la caractérisation initiale. Elle distingue la synthèse finale des expériences complémentaires qui ont testé les interprétations du fond d’obscurité.

Le socle expérimental et les conclusions sont identiques à ceux de la version découverte. Les équations expliquent ici ce qui est mesuré, et surtout ce qui ne peut pas être déduit des mesures.

Rapport de synthèse — caractérisation IMX4776 octobre 2026Mesures, figures et conclusions de la campagne EIP. Consulter le rapport PDF

1. Question scientifique et périmètre

La Raspberry Pi HQ utilise un Sony IMX477 de 12,3 mégapixels avec monture C/CS. Cette étude caractérise ce module, dans la chaîne d’acquisition EIP et dans les conditions décrites : conversion, bruit de lecture, saturation, dynamique et signatures d’obscurité. Elle ne constitue pas une fiche universelle de tous les IMX477.

EIP est une plateforme générique d’imagerie embarquée : l’astronomie est le terrain d’application de ces mesures, non une restriction de leur méthode. Les mesures portent sur les valeurs brutes ; les réglages de rendu ne sont pas des paramètres de l’analyse.

2. Signal RAW12 et plage utile

Les RAW sont acquis plein champ en 4056 × 3040, 12 bits, avec matrice de filtres colorés (CFA) BGGR. Les quatre phases R, G1, G2 et B sont distinguées avant toute agrégation ; aucun dématriçage couleur n’est utilisé pour les statistiques.

Une ADU désigne une unité numérique du convertisseur. Le niveau noir de référence est 256 ADU dans le RAW12 : le niveau source 64, exprimé sur 10 bits, est ramené à cette échelle. Le code blanc numérique est 4095.

Douze bits décrivent la quantification, pas la dynamique physique ou le bruit. Le piédestal mesuré dans une image peut aussi varier autour de cette référence ; il ne doit pas être confondu avec une charge photoélectrique.

3. Protocole expérimental

La caméra est volontairement utilisée dans une ambiance normale, de l’ordre de 23 à 24 °C, sans refroidissement Peltier actif. Une ventilation forcée, avec deux ventilateurs d’appoint vers l’arrière du circuit imprimé, limite l’auto-échauffement pendant les acquisitions soutenues.

Les paliers longs finaux alternent les durées et prévoient 60 s de repos thermique entre paliers. Les 72 températures disponibles sur 80 images couvrent 25–27 °C ; la première image de chaque palier n’a pas de télémétrie thermique et reste conservée. Aucune valeur manquante n’est interpolée. La mesure est quantifiée au degré ; des moyennes décimales ne lui donnent pas une meilleure résolution.

Ces températures ne décrivent pas toutes les acquisitions : la PTC à gain 1 couvre 24–27 °C, et les paires de bruit à gain 1 couvrent 23–26 °C. La PTC signale une confusion thermique à gain 1. L’ordre des paliers et les repos réduisent les risques de confusion ; ils ne sont ni une randomisation ni des répétitions thermiques indépendantes.

Dans l’étude historique à vingt images, les 114 températures disponibles sur 120 RAW sont toutes à 27 °C ; le gain analogique est 1 et le gain numérique constant, voisin de 1. La correction des pixels défectueux (DPC) est désactivée dans cette étude contrôlée. Cet état n’est pas généralisé sans preuve à toutes les acquisitions.

Le rapport de synthèse du 6 octobre documente la campagne finale. Le compte rendu complémentaire des structures spatiales (texte) documente l’ensemble historique à vingt images. Les effectifs et résultats de ces deux ensembles restent séparés ci-dessous.

4. Gain de conversion et PTC

La courbe de transfert photonique (PTC) relie la variance estimée par différences de paires au niveau moyen sous éclairement stable. Pour deux images comparables A et B, et pour chaque phase CFA :

S est le niveau RAW moyen en ADU, noir inclus ; V est une variance en ADU². Les moments sont calculés sur les positions de la phase considérée, puis moyennés sur les dix paires du palier. Les différences éliminent une structure fixe identique dans les deux images, sous réserve de leur comparabilité.

La pente a est exprimée en ADU/e⁻ ; son inverse est le gain de conversion K en e⁻/ADU. L’ordonnée b est libre : avec un axe RAW incluant le noir, elle n’est pas à interpréter directement comme une variance de lecture.

La sélection écarte les niveaux dont la fraction globale de pixels au code blanc atteint 0,0001, puis retient le plus long préfixe de niveaux ordonnés par signal compatible avec une pente positive et R² ≥ 0,99, avec au moins quatre niveaux. À gain 1, neuf niveaux sur douze sont retenus ; trois sont rejetés à l’approche de la saturation. Le domaine vert moyen retenu s’étend de 463,5 à 3116,0 ADU, noir inclus.

La valeur globale de K est la moyenne des coefficients des phases G1 et G2. L’erreur standard publiée est la moyenne de leurs erreurs standard d’ajustement ; elle ne constitue pas un budget d’incertitude instrumentale total. Le R² non arrondi vaut 0,99999848.

5. Bruit de lecture

Les différences de paires d’images d’obscurité courtes estiment le bruit de lecture. Sous l’hypothèse de fluctuations indépendantes, de même variance, et d’un signal d’obscurité négligeable à cette durée :

Les vingt-cinq paires par gain fournissent l’estimateur de lecture ; la conversion utilise K au même gain. À gain 1, le résultat global est 1,511603 ADU, soit 3,517646 e⁻ (3,52 e⁻ arrondis). Une corrélation entre trames ou une contribution temporelle supplémentaire limiterait l’interprétation comme bruit de lecture seul.

6. Capacité effective et dynamique

La saturation numérique est observée : la fraction globale maximale de pixels écrêtés est 0,27032, au-dessus du seuil 0,000100. Cela ne mesure pas un clipping séparé pour chaque phase CFA.

La convention du rapport définit la capacité à partir du plafond observé W_obs et du niveau noir de référence B_ref, dans l’échelle RAW :

À gain 1, W_obs = 3827,1167 ADU, B_ref = 256 ADU et K = 2,327096 e⁻/ADU donnent Q_eff = 8310,33 e⁻. Ce plafond n’est ni le code blanc nominal 4095 ni le dernier point retenu de la PTC. Il s’agit d’une capacité effective instrumentale, pas d’une capacité physique universelle du photosite.

La dynamique atteint 11,206 diaphragmes, soit 11,21 arrondis, ou 67,47 dB. Le rapport est sans dimension ; un diaphragme représente un facteur 2. Ces grandeurs dérivées conservent les limites de K et de la convention de saturation, sans incertitude totale supplémentaire inventée.

7. Comportement multi-gain

Les gains ci-dessus sont les gains effectifs mesurés, non simplement les consignes. Les huit PTC regroupent 960 paires, sans rejet pour non-comparabilité ; cela ne signifie pas que tous les niveaux soient retenus dans chaque ajustement. Le nombre de niveaux retenus varie de six à neuf selon le gain.

K et le bruit de lecture en électrons diminuent avec le gain ; la capacité effective et la dynamique diminuent également. Le comportement retenu est continu, sans rupture statistiquement démontrée sur cette plage.

Le modèle continu ajuste log K par un polynôme en log du gain ; le degré 3 est préféré parmi les candidats et reste monotone. Le critère d’information bayésien (BIC) vaut 9,436 pour ce modèle, contre 17,488 pour le modèle avec rupture. Selon la convention ΔBIC = BIC_continu − BIC_rupture, ΔBIC = −8,052 favorise donc le modèle continu.

Le rééchantillonnage, sur 2000 répétitions, donne p = 0,51524. La règle de décision requiert ΔBIC ≥ 6, p ≤ 0,01 et une confirmation indépendante pour établir une rupture. Ces critères ne sont pas satisfaits. Une transition hors de la plage ou sous la sensibilité du protocole n’est pas exclue ; la confusion thermique signalée à gain 1 reste une limite du modèle.

8. Poses longues et courant d’obscurité

Des estimateurs différents

Le courant d’obscurité physique produit des charges même sans lumière. Le niveau moyen, la variance temporelle, le mode commun et une structure fixe ne mesurent pourtant pas la même chose.

Dans la campagne finale, les dix images d’un palier sont moyennées à chacune des 16 060 positions. Une régression sur les huit durées décrit ensuite ce niveau :

y_i est le niveau moyen en ADU, t la durée en secondes, a_i l’ordonnée à l’origine et m_i une pente apparente en ADU/pixel/s. Elle peut mélanger charge d’obscurité et déplacement du fond ; elle n’est pas automatiquement un courant physique.

Les contrôles complémentaires ont aussi étudié la variance d’un même pixel au fil des trames. Sous un modèle idéal de charges d’obscurité poissonniennes indépendantes, de bruit de lecture constant et sans autre contribution temporelle :

I_dark est en e⁻/pixel/s. Cette équation est un modèle à tester, pas une preuve que toute pente de variance provient du courant typique. Une variation commune entre images ou un effet de lecture peut y ajouter une contribution.

Ce que les contrôles ont éliminé — et ce qu’ils n’ont pas établi

Une série ciblée compare 198,590 ; 216,242 ; 225,068 ; 242,721 et 300 s autour de l’allongement de ligne. La diminution de variance est déjà visible avant la transition vers 225 s, sans rupture nette à cette transition. L’erreur de durée reconstruite à 300 s est inférieure à 0,001 % : une erreur simple de temps de pose ou de longueur de ligne ne suffit pas à expliquer l’effet observé.

Une série de onze paliers entre 30 et 300 s, avec cinq RAW par palier et ordre non monotone, puis le contrôle à six paliers et vingt RAW décrit en section 3, ont augmenté la couverture temporelle et les effectifs. Les critères de sélection de modèles ne donnent pas une signature cohérente entre les quatre CFA et les corrections du niveau commun. La médiane corrigée, la moyenne tronquée à 5 % et les différences de paires ne soutiennent donc pas une sous-linéarité intrinsèque démontrée du courant d’obscurité.

Dans le contrôle à vingt images, les erreurs d’exposition effective restent inférieures à 0,003 %. Les corrections du mode commun modifient certains rapports de pente de plus de 3 en valeur absolue, sans rupture comparable du piédestal moyen vers 120–150 s. Le constat concerne la chaîne complète ; son attribution aux seuls photosites n’est pas établie.

Résultat final et critère de décision

La pente du niveau de base global vaut −0,001092 ± 0,000922 ADU/pixel/s, avec R² = 0,189. Le critère recherche spécifiquement une pente positive supérieure à 1,96 fois son erreur standard :

σ_m est l’erreur standard de la pente globale. Ce critère n’est pas un test bilatéral d’absence de toute dérive. Une pente négative ne satisfait pas la recherche d’une pente positive ; elle ne représente pas un courant physique négatif.

9. Pixels chauds et distributions

La distribution des pentes individuelles possède une médiane de −0,00544 ADU/pixel/s, un p90 de 0,00903 et un p99 de 0,04031 ADU/pixel/s. Ces quantiles décrivent la population et sa queue positive ; ils ne fournissent pas une mesure physique du pixel typique.

Les positions temporelles atypiques sont sélectionnées lorsque leur pente dépasse le seuil adaptatif T :

m̃ est la médiane des pentes ; la MAD est la médiane des écarts absolus à cette médiane. Le seuil réalisé vaut 0,05443 ADU/pixel/s. Il signale 75 pixels chauds sur 16 060 positions, soit 0,47 %. Le résultat dépend des positions suivies et du seuil ; ce n’est pas un inventaire plein capteur.

La population chaude et le déplacement du fond peuvent influencer une moyenne différemment de la médiane. Leur séparation est nécessaire avant de convertir une pente descriptive en électrons.

10. Structures spatiales du fond

Master final et cartes dérivées

Le produit final combine dix RAW de 300 s par médiane temporelle en un master plein capteur, 4056 × 3040, gain 1, CFA BGGR. Les statistiques spatiales utilisent une moyenne des quatre positions de chaque cellule Bayer 2 × 2, puis une estimation locale par médianes de blocs de 32 × 32 cellules, équivalant à 64 × 64 photosites. Les valeurs extrêmes au-delà de p99,9 et les saturations sont masquées.

Sur ce produit final à dix images, les profils natifs sont obtenus après moyenne Bayer, retrait du bloc local et médiane selon chaque axe, puis centrés sur leur moyenne. Les RMS de population sont 0,244533 ADU par lignes et 0,031310 ADU par colonnes. Les courbes de la vue réduite du PDF ne doivent pas être assimilées à ces profils natifs.

Étude complémentaire à vingt images : gradient et anisotropie

Les figures et métriques suivantes proviennent de l’ensemble historique à vingt RAW par palier, pas du produit final à dix images. Le masque p99,9 et la maille de 64 × 64 photosites isolent la structure agrégée. À 300 s, le master médian donne 255,25 ADU au centre, 255,75 sur les bords et 256,00 dans les coins, soit +0,50 et +0,75 ADU par rapport au centre. Les quatre côtés ont la même médiane : la géométrie est principalement radiale.

Après retrait du fond local, le profil par lignes atteint 0,251227 ADU RMS et 1,25 ADU crête-à-crête, contre 0,033076 ADU RMS par colonnes. La période dominante candidate est 19,87 lignes par analyse de Fourier ; l’autocorrélation donne 24 lignes. Cela suggère une modulation de l’ordre de 20 à 24 lignes, sans établir un mécanisme périodique unique.

La modulation est quantifiable surtout sur G1 et R ; B et G2 restent sous la quantification de la médiane par ligne dans cet ensemble. L’amplitude de la vague selon la durée reste non concluante : la médiane quantifiée préfère modestement un modèle non linéaire, alors que la moyenne non arrondie évolue presque linéairement. Le RAW individuel reste quantifié à 1 ADU ; les fractions d’ADU proviennent de l’agrégation. La moyenne de vingt images conserve un pas temporel de 0,05 ADU.

Reproductibilité et test dans une autre pièce

À 300 s, la corrélation moyenne entre profil d’une trame et profil du master historique atteint 0,821867 (minimum 0,808510), contre 0,216330 à 60 s. Entre les profils 240 et 300 s, r = 0,913480 ; entre 60 et 300 s, r = 0,336182. La phase devient reproductible aux longues poses, mais sa stabilité sur toute la plage d’exposition reste non concluante.

Une capture contradictoire unique de 300 s, effectuée après changement de pièce, donne r = 0,877660 pour la structure basse fréquence et r = 0,864081 pour le profil horizontal, après masque des extrêmes. Le profil vertical, de faible amplitude, donne r = 0,314272. Aucun nouveau gradient associé à l’éclairage de la pièce n’apparaît.

La structure est compatible avec une signature fixe de la chaîne capteur-lecture. Un ombrage du fond et une composante horizontale sont observés ; une luminescence parasite électronique ou thermique reste une hypothèse, pas une cause démontrée.

Structure fixe et variance temporelle

À une position i, soustraire la même carte fixe c_i à toutes les trames ne change pas la variance temporelle. Les structures influencent en revanche les statistiques spatiales et les estimateurs qui mélangent les positions. Leur présence ne suffit donc pas à expliquer une pente temporelle, et la relation avec le mode commun reste non établie.

11. Limites et hypothèses

• Les résultats concernent un module et une chaîne. Les écarts-types de fit ne couvrent pas tous les biais expérimentaux.
• La PTC à gain 1 est très linéaire, mais conserve une qualification réservée liée notamment à la température ; capacité et dynamique en dépendent.
• Les températures sont quantifiées au degré et certaines manquent ; une télémétrie stable ne démontre pas une stabilité électronique parfaite.
• Les masques et seuils sont adaptatifs ; leurs populations doivent accompagner toute comparaison.
• L’agrégation et la quantification limitent les amplitudes sous-ADU et l’interprétation de la dépendance en durée.
• Une corrélation spatiale établit une similarité, pas une causalité thermique ou une origine de type glow.

Pour le ciel profond, conserver les RAW12, contrôler la température et utiliser des images de calibration comparables permet de traiter les motifs reproductibles. Le décalage entre poses peut aider au rejet des défauts après alignement. Aucune durée optimale universelle ne découle de cette étude.

12. Conclusion

La caractérisation établit des valeurs utiles pour cette chaîne et des structures reproductibles. Elle ne fournit pas une valeur fiable du courant d’obscurité typique. L’enquête initiale est close sur cette limite explicite, plutôt que sur un nombre insuffisamment identifié.

La suite compare la ventilation seule au refroidissement Peltier : mêmes questions, autre régime thermique, sans considérer d’avance qu’une comparaison suffit à démontrer une causalité.