Table de Matières (No.17)

Les Caméras CCD1000 en service à l'OHP

Gérard Knispel

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:

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:

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.

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.

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.


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