Table de Matières
(No.17)
Les Caméras CCD1000 en service à
l'OHP
Service CCD, Observatoire de Haute Provence
Les caméras utilisées avec les CCD de 1K x 1K TK1024 de
Tektronix ont été réalisées à partir
d'un modèle mis au point à l'ESO par R. Reiss avec la
contribution de J.P. Dupin de l'Observatoire de Toulouse. Il y en a
trois actuellement en fonctionnement à l'OHP. La première
a été mise en service en 1993 avec le spectromètre
Elodie, la deuxième est utilisée au télescope
de 1m20 depuis début 1996 et la troisième sert pour la
maintenance et les tests en laboratoire.
Un certain nombre de modifications ont été apportées
au modèle initial afin de l'adapter aux utilisations faites à
l'OHP:
- Commande et transmission des données par une liaison Ethernet.
- Affichage des images à l'aide d'une carte graphique MIG
d'Eltec
- Réalisation d'une nouvelle carte de séquencement
utilisant un
DSP 56001 de Motorola.
- Modification de la carte d'interface pour permettre la lecture
simultanée de plusieurs sorties du CCD.
- Déport des cartes analogiques dans un coffret séparé
pour éliminer le bruit parasite induit par les alimentations
à
découpage.
Caractéristiques générales
Les caméras CCD1000 réalisées à l'OHP permettent
la mise en oeuvre de CCD ayant jusqu'à 1,5 millions de pixels
environ. La lecture peut être effectuée avec une ou plusieurs
sorties. Le logiciel de balayage (ou séquencement) du CCD donne
la possibilité, lors de la lecture, d'un regroupage (binning)
horizontal et vertical des pixels et permet de limiter la lecture à
une ou plusieurs fenêtres. Toutes ces possibilités peuvent
être mises en oeuvre simultanément. Les vitesses de lecture
peuvent être modifiées et le gain peut être choisi
dans les rapports 1, 2, 5 ou 10 pour une vitesse de lecture donnée.
Tous ces paramètres sont définis dans des modes de balayages.
Il y en a plusieurs et on peut aisément en créer de nouveaux
pour répondre aux besoins des utilisateurs.
Le contrôleur est piloté par une carte CPU au standard
VME associée à une unité de disque et de disquette,
le tout sous OS9 de Microware. Il comporte un terminal permettant la
mise en oeuvre d'acquisitions d'images et une carte graphique permettant
leur visualisation sur un moniteur multistandard. Il peut aussi être
télécommandé par une station de travail (ou tout
autre système informatique) via une liaison Ethernet avec le
protocole TCP/IP et les données sont alors transmises à
la station de travail.
Les logiciels de lecture du CCD et de visualisation et traitement d'image
ont été créés et mis au point en mode natif
et en langage C à partir du terminal local. Ils permettent:
- Le lancement d'une pose, d'une lecture ou d'un effacement du CCD
- L'affichage de l'image avec choix des seuils inférieurs
et supérieurs
- Le déplacement d'un curseur avec affichage de X, Y et Z
- Le calcul du bruit dans une fenêtre au choix
- La soustraction d'un niveau d'offset
- La correction d'uniformité
- L'affichage d'un profil d'intensité dans une bande verticale
ou
horizontale de dimensions choisies.
- La sortie du profil sur imprimante Epson LX800.
- L'approximation d'un pic dans un profil, par une gaussienne.
- La sauvegarde d'images sur disque
- L'affichage de l'histogramme du bruit et le comptage d'impacts
de rayons cosmiques
- La sortie sur imprimante.
Enfin les tensions des signaux de phase et de polarisation du CCD peuvent
être contrôlés d'une façon interne et affichés.
C'est une commodité appréciable.
Figure 1.
L'état du bus CCD est transmis dans les deux sens à l'aide
de 3 fibres optiques reliées à une carte d'interface à
chaque extrémité. Cette disposition supprime les bruits
parasites. (Le bruit du CCD Elodie a été ramené
à 8 e-). Par contre, elle limite la rapidité
du balayage (1 µs au minimum pour un état des signaux de
phase) car les états du balayage sont transmis en série
au coffret annexe. Ceci n'est pas gênant pour notre application
mais cette limitation disparaîtra dans une version ultérieure
comportant
également la carte de séquencement dans le coffret annexe.
Le contrôleur
Le contrôleur se présente sous la forme d'un coffret regroupant
des cartes au format VME et des cartes reliées par un bus spécifique
(Bus CCD). Les deux bus communiquent au moyen d'une carte d'interface.
Les signaux de balayage et de polarisation sont appliqués au
CCD par
l'intermédiaire de liaisons blindées entre le contrôleur
et
le cryostat. Le signal de sortie du CCD est amplifié sur la carte
support du CCD et la sortie des amplificateurs est transmise en mode
différentiel au contrôleur où s'effectue le traitement
et
la numérisation.
Cette architecture présente 2 inconvénients majeurs qui
ont
été éliminés dans une deuxième version.
(a) Si le CCD est monté sur un télescope, le contrôleur
ne
peut pas être fixé à proximité car il comporte
un
disque dur qui doit être maintenu dans une position fixe. Cet
inconvénient disparaît cependant si le CCD se trouve sur
un
montage fixe (Cas du spectromètre Elodie).
(b) Les alimentations à découpage sont à proximité
des cartes de traitement du signal et des "drivers" d'horloge et induisent
un
bruit parasite important.
C'est ainsi qu'est apparue une dégradation du bruit du CCD utilisé
avec Elodie , qui est passé progressivement de 8,5 e-
à 13 e-, sans doute à cause d'une évolution
des caractéristiques de l'alimentation et aussi de son remplacement
à la suite d'une panne.
Dans une deuxième version mise en oeuvre au télescope
de 120 puis
avec le CCD Elodie, le bus CCD et ses circuits ont été
déportés dans un coffret annexe placé près
du
cryostat et alimenté en continu à partir du coffret principal
du
contrôleur (Fig.1.).
Le bus VME relie les cartes suivantes ; la carte CPU Eurocom 5 d'Eltec,
la
carte graphique MIG d'Eltec, la carte de séquencement (ESO ou
OHP) et la
carte contrôleur DMA et interface bus CCD.
Le bus CCD relie les cartes suivantes : le driver d'horloges, les polarisations
du CCD, l'amplification et traitement du signal vidéo et le
convertisseur A/N.
- Carte CPU
C'est une Eurocom 5 d'Eltec avec un processeur 68020 de Motorola
à 16 Mhz une mémoire de 4 Moctets. Elle est connectée
au réseau à l'aide d'une interface Cheapernet (Carte IPIN-1300).
Les données numérisées de l'image sont écrites
dans la mémoire de la carte CPU en mode DMA. Une carte mémoire
additionnelle peut être ajoutée pour la mise en oeuvre
de CCD plus grands. La carte E5 qui n'est plus réalisée
peut être remplacée par des cartes plus récentes
et plus performantes.
- Carte graphique
C'est une MIG d'Eltec avec une définition 1024 x 768 à
60 Hz non entrelacé. L'affichage se fait avec 256 couleurs parmis
16 million selon la table de couleurs. La mémoire image a une
dimension de 1K x 1K. Les valeurs des pixels sont transmises à
la carte graphique par la carte CPU après recalibrage entre un
seuil inférieur et un seuil supérieur.
- Carte de séquencement
La première version développée à l'ESO
et basée sur un circuit ADSP 1401 d'Analog Devices a été
abandonnée à la suite de l'arrêt de fabrication
de ce circuit.
Version développée à l'OHP
Elle est basée sur un circuit DSP56001 de Motorola. Ce circuit
comporte une petite mémoire interne de programme limitée
à 512 mots de 24 bits, mais largement suffisante pour gérer
toutes les phases du balayage d'un CCD. Deux autres mémoires
internes X et Y de 256 x 24 bits chacunes sont chargées, l'une
avec des suites d'états correspondant à des phases du
balayage (par ex : décalage ligne, décalage pixel etc.),
l'autre avec les valeurs du binning H et V et les paramètres
des fenêtres successives. Le circuit DSP comporte un port permettant
de charger les mémoires de programme et de données lors
de l'initialisation. Des vecteurs d'interruptions envoyés sur
ce port permettent ensuite de lancer le balayage d'effacement, puis
de passer à la pose, ou à la lecture du CCD.
Il n'existe pas sous OS9 d'assembleur permettant de produire les codes
instruction du DSP 56001 à partir d'un code assembleur. C'est
pourquoi il a été créé en langage C. La
mise au point d'un assembleur est une tâche redoutable sauf si
on se limite comme c'est le cas ici à quelques instructions (18
en tout) de mouvement des données, de boucle, de répétition,
de test et de saut .
Les différents états du balayage sont présentés
sur le port de sortie à 24 bits du DSP. Une instruction REP n
(répétition n fois) associée à NOP
(instruction qui ne fait rien) permet de régler très simplement
les durées des états du balayage.
- Carte contrôleur DMA et carte d'interface
Le contrôleur DMA (64450 de Motorola) fonctionne en mode DMA chaîné.
La mémoire image dans la carte CPU est
organisée sous forme de lignes mises bout à bout correspondant
aux lignes complètes du CCD. A chaque portion de ligne du CCD
incluse
dans une fenêtre de lecture, correspond dans un tableau de chaînage
situé en mémoire de la carte CPU, l'adresse de départ
en
mémoire et le nombre de pixels ou mots mémoire. Ces
données sont lues par le contrôleur DMA au début
de
l'acquisition puis avant chaque portion de ligne mise en mémoire.
Le contrôleur DMA comporte 4 canaux associés chacun à
une sortie du CCD. Les données produites par le convertisseur
A/N transitent par une mémoire FIFO de 1K x 18 située
sur la carte d'interface reliée à la carte DMA. Ceci permet
de ne pas perdre des pixels si la carte CPU est occupée à
traiter des protocoles réseau Ethernet qui sont prioritaires
sur les accès DMA.
- Driver d'horloges
Il reçoit les signaux de balayage aux niveaux TTL transmis par
le bus CCD et les adapte aux niveaux hauts et bas déterminés
par des
potentiomètres en face avant.
- Polarisations du CCD (CCD bias)
La carte fournit 4 tensions ajustables entre 0 et 25 V et 4 tensions
ajustables entre -10 et +10 V. Le réglage des tensions est effectué
par des potentiomètres en face avant.
- Carte de traitement du signal (DCDS )
Cette carte effectue une double intégration du signal vidéo
avec soustraction du bruit de remise à zéro. Le gain des
amplificateurs peut être choisi dans un rapport 1, 2, 5 ou 10.
Il y a deux voies par carte, reliées chacune à une sortie
du CCD. Deux cartes sont nécessaires pour utiliser les quatre
sorties du CCD.
- Convertisseur A/N
Le convertisseur est un ADAM 826-1 d'Analogic vendu par la Sté
Micro Puissance. C'est encore un des meilleurs convertisseurs 16 bits
existant
sur le marché. Pour une durée de conversion de 2,5 µs,
il possède une non linéarité différentielle
de ±1/4 LSB typique et un bruit de 60 µV pour une entrée
de 0 à 10V.
Le cryostat
Les CCD TK1024 du télescope de 1m20 et du spectromètre
Elodie ont été montés dans des cryostats
de la Sté Infra Red qui ont une autonomie de 24 h environ. Pour
assurer un bon contact thermique, une feuille de graphite malléable
(fournisseur Radiospare Composants) est interposée entre le
boîtier du CCD et le bloc de refroidissement. La régulation
en température est effectuée avec une précision
meilleure que 0.1°C par un régulateur Eurotherm A900.
Un réservoir de charbon actif assure l'adsorption des gaz résiduels
entre les pompages du cryostat. Il est mis en contact de la plaque froide
(-196°C) du cryostat par l'intermédiaire de colonnettes
en alumine. A la température de l'azote liquide, ce matériaux
possède une conductivité thermique 50 fois supérieure
à celle mesurée à la température ambiante.
Grâce à cette propriété, pour un dimensionnement
calculé de ces colonnettes, on peut réchauffer le charbon
actif pour le dégazer au pompage sans perdre trop de calories
dans le cryostat et sans risque d'échauffement excessif du CCD.
Par contre, à la mise en froid, la température du charbon
actif est voisine de celle de l'azote liquide.
Conclusion
Après un certain nombre de modifications, le contrôleur
développé il y a plus de 10 ans à l'ESO est resté
tout à fait adapté à la mise en oeuvre de CCD modernes.
De
nombreux modes de balayage avec lecture à une ou plusieurs sorties,
limitée à des fenêtres et avec regroupement des
pixels,
peuvent être crées simplement par logiciel à partir
du
terminal du contrôleur. Le problème crucial du bruit
engendré par la proximité des alimentations a été
résolu en déportant les circuits analogiques dans un coffret
séparé qui a l'avantage en plus d'être peu encombrant.
Une variante existe avec la carte de séquencement dans le coffret
séparé. Avec cette configuration, la partie VME du systè
pourrait être remplacée par un PC qui bénéficie
d'un environnement beaucoup plus riche en matériels et logiciels
et ceci à des prix moins élevés.
Table de Matières
(No.17)