[Page Aurelie | Guide Pratique | Page accueil OHP ]

Caméra HORIZON 2000

Présentation Version 3: du 15/03/2000
Auteurs: M.Goillandeau, C.Guillaume
Consultant scientifique: D.Gillet


Ce document a pour but de décrire la structure de la caméra à transputer réalisée à l'Observatoire de Haute Provence. Une première version a été développée pour le banc de test des CCD du satellite COROT, la suivante très similaire comme caméra scientifique pour les télescopes de l'OHP (Aurélie au T152), elle est en service depuis mi-février 2000, équipée avec un CCD EEV42-20. Une dernière doit suivre pour Carelec au T193. Pour la R&D sur le CCD zéro bruit, une adaptation a été faite.

Description

Les caméras scientifiques désignées Caméra Horizon 2000 sont constituées de cinq éléments distincts.
  • Le cryostat et la tête contenant le CCD.
  • Le CCD et son électronique de proximité. C'est à dire les pré-amplis très faible bruit et le " driver " (dispositif électronique générant les tensions de polarisation du CCD et les niveaux haut et bas des différentes phases).
  • Le coffret caméra contenant l'électronique analogique de traitement vidéo, le séquenceur réalisé à l'aide d'un circuit logique programmable XILINX et une carte CPU à transputer INMOS T805 avec 16 Mo de RAM. Le transputer exécute un programme comportant des processus parallèles qui est écrit en langage de haut niveau C.
  • Un PC contenant une interface avec le coffret caméra.
  • L'interface utilisateur.
Le coffret est connecté au PC via une fibre optique (40m maximum), on utilise un des quatre liens haut débit du transputer (20Mbits/s). Cependant, le taux de transfert sera limité par la carte interface du PC 250KB/s pour une ISA ou 750 KB/s pour une PCI. La liaison entre l'interface utilisateur et le PC se fait à l'aide de 2 sockets TCPIP. La carte interface du PC est pilotée par un programme qui comporte le serveur TCPIP. L'interface utilisateur étant le client; 2 ports sont utilisés l'un pour l'envoi des ordres à la caméra, l'autre en retour pour le transfert de l'image. La souplesse apportée par l'utilisation des sockets TCPIP permet de déporter si besoin est, l'interface utilisateur sur une autre machine fonctionnant sous un autre " Operating System " (le serveur TCPIP fonctionnera sous LINUX). Les échanges se font alors sur le réseau éthernet et à distance.

Le séquenceur (dispositif générant des signaux pour le fonctionnement du CCD et de la carte de traitement vidéo) a fait l'objet d'un marché suivant un cahier des charges que nous avons défini. Il est réalisé à l'aide d'un circuit logique programmable XILINX et écrit en VHDL. Le fonctionnement du séquenceur se résume à un enchaînement de commandes que génère le logiciel exécuté par le transputer. La résolution temporelle des 32 signaux est de 100ns. Un éditeur graphique de chronogramme a été développé pour faciliter le positionnement de ces signaux.

Un nouveau driver a été étudié pour utilisation des CCD à transfert de trame, en outre les tensions de polarisation et les niveaux des phases peuvent être programmables. La vitesse de lecture du CCD peut atteindre 2µs par pixel et deux voies peuvent être utilisées pour lire deux sorties simultanément. Le multi-fenêtrage, le binning (sommation physique des lignes dans le CCD), le "dump-drain" (effacement rapide d'une ligne) sont disponibles.

Caméra CCD d'Aurélie au T152:

Un CCD EEV 42-20 a été installé dans une tête de nouvelle génération, il est refroidi à 163K (-110o C) à l'aide d'azote liquide contenue dans un cryostat dont l'autonomie atteint 24 heures selon l'état du vide. C'est un CCD à transfert de lignes, aminci, éclairé par l'arrière, traité anti-reflet pour améliorer sa réponse vers le bleu. Il est organisé en 1024 lignes de 2048 pixels, faisant chacun 13.5µm2.

Les spectres d'Aurélie mesurent environ 1mm de haut (80 lignes), la lentille cylindre utilisée pour la barrette n'est donc plus nécessaire. Pour garantir une marge suffisante dans le positionnement du spectre, la caméra lit 100 lignes du CCD. Le fenêtrage et le "dump-drain" sont alors utilisés pour réduire la taille des images et accélérer la vitesse de lecture. Celle-ci a été fixée à 50kpixels/s, une seule sortie est utilisée. La création d'une image dure une dizaine de secondes, écriture sur le disque comprise.

Le "gain" de la chaîne est de 2.26 e-/adu et le courant d'obscurité est inférieur à 1 e-/h/pixels. Pour des raisons de rapidité de mise en service, l'interface utilisateur de la caméra est celle utilisée lors des étalonnages en laboratoire. Elle est d'ailleurs identique à celle utilisée au T80 depuis de nombreuses années. En conséquence, il n'existe plus d'interaction logicielle entre la commande du spectromètre et celle de la caméra CCD. Cette situation est provisoire, un nouvel environnement est en cours de développement. Cette interface utilisateur fonctionnant sous Linux, le logiciel de dépouillement des données est MIDAS version 97NOV.

Deux modes de fonctionnement sont utilisables

  • Le "mode normal":

    Sur le spectre lu en deux dimensions apparaissent les cinq bandes du découpeur d'image du type Bowen-Walraven. La saturation des pixels est atteinte à plus de 137000e- et le bruit de lecture est de 6e-. Dans ce mode, un rayon "cosmique" n'affecte qu'un seul ou un petit groupe de pixels qui peuvent être facilement retirés.

    La sommation des 80 lignes doit être effectuée à posteriori lors du dépouillement. Dans chaque colonne, on peut intégrer jusqu'à 6.5Me- avant d'atteindre la saturation et un rapport Signal/Bruit de 2550 peut être obtenu. Le bruit de lecture en mode normal (spectre sur 80 lignes) est de 801/2 x 6e- = 53e- à comparer à celui de la barrette Thomson TH7832 qui était de 250e-

  • Le "mode binning":

    La sommation des lignes est réalisée à l'intérieur du CCD, le spectre n'est plus qu'a une dimension. Chaque "pixel-somme" sature aussi à 137000 e-, mais il est l'intégration de 100 pixels (1 colonne). Un rapport Signal/Bruit de 370 seulement peut être atteint. Un "rayon cosmique" affecte une ou plusieurs colonnes, il est beaucoup plus gênant.

    Le bruit de lecture en revanche est très bas puisqu'il n'y a qu'une lecture par colonne. Dans ce mode, l'équivalent de 25e- de charges fantômes apparaît lors de la lecture et génère 5e- de bruit. Ces charges n'étant pas réparties uniformément l'offset n'est pas plat. Le bruit de lecture en mode binning est alors de (62 +52)1/2 = 8e- . Le gain sur le rapport Signal/Bruit est alors très important comme le montrent les courbes mises en annexe.

Comme nous l'avions écrit dans la conclusion du rapport sur la rénovation de la camera double barrette ( 31 mars 1996 ), ce nouveau détecteur améliore grandement le rendement scientifique du spectromètre Aurélie. Par exemple un rapport Signal/Bruit de 40 sur la pose brute était atteint avec un flux de 11000e- à l'aide de la barrette TH7832. Avec cette nouvelle caméra CCD, 3000e- en mode normal ou 1600e- en mode binning sont maintenant suffisants.


Figures

Comparaison des différents rapports Signal/Bruit: