StarCamEx - äntligen på gång

Astronomiska CCD-kameror (ej webkameror)
Starsoft
Posts: 1501
Joined: 2007-09-20 14:21:00
Location: Gävle
Contact:

StarCamEx - äntligen på gång

Post by Starsoft »

När jag nu efter en störande flytt med tillhörande byggnadsarbete har återupptagit arbetet med tvillingtuberna SSBT och mitt remote obs så inser jag återigen att de kameror för astrofoto som jag har är otillräckliga både till antal och kvalitet för det jag vill göra. Därför har jag samtidigt som arbetet med obset pågår satt fart med min kamerakonstruktion, StarCamEx. Obset kommer därmed knappast att bli klart före vintern men det kan inte hjälpas, jag måste ha fler och bättre kameror för att det ska vara meningsfullt att bygga ett fjärrstyrt robot-obs. Det är väl också möjligt att det kan vara väldigt lämpligt med en varm och skön sommarperiod att trimma in prylarna inför nästa säsong.

Jag fick häromdagen från tillverkaren tillbaka version 3 av kretskortet som innehåller bildsensorn och de analoga delarna av kameran. Kretskortet är krympt till 75 x 75 mm och jag har tagit bort servot för slutaren, slutaren kommer jag att montera i kamerahuset när den behövs. Jag har också valt att använda kablar för att koppla ihop ccd kretskortet med datorkortet i stället för kontakter som jag använde tidigare för att göra det möjligt att även använda kylfläns i stället för vattenkylning. Det är så att för att få plats med en kylfläns kan inte processorkortet sitta under ccd kortet så då behövs kablar för att korten ska kunna sitta bredvid varandra. Kretskortet är fortfarande onödigt stort för Sony ICX-424 sensorn men samma kort är tänkt att bara med små modifoieringar att kunna användas för större Sony och Kodak sensorer när konstruktionen är verifierad.

Jag känner mig ganska säker på att den här drygt den tredje versionen av ccd kort ska fungera tillräckligt bra för att det hela ska sluta som en användbar kamera så därför så tänkte jag att ni här skulle få följa med när jag löder ihop och testar kortet så ni får en uppfattning om hur det går till om det skulle vara fler som vill prova att bygga en egen kamera när den väl är klar. Det kostar så lite extra för mig att beställa 25 kretskort i stället för 5 så det kommer att finnas kretskort över. Med dagens låga priser på optik så är det väl bra mycket rimligare att tillverka sin egen CCD kamera i stället för att slipa en spegel som amatörastronomer med framgång har brukat göra. Jag tror också att det också även för en icke elektronikkunnig lär vara bra mycket enklare att tillverka en kamera än att slipa en spegel.

Image
Så här ser det tomma kortet ut, 75 x 74 mm, plats för bildsensorn i mitten med ett hål där kylfingret ska sticka upp. Det trasiga hörnet uppe till höger beror på ett fel i borrfilen som jag skickade till korttillverkaren, tur att det extra hålet inte hamnade mitt i kortet!

Som ni kanske ser så har jag nu använt nästan enbart ytmonterade komponenter, något som jag kanske kommer att ångra, de minsta komponenterna är löjligt små.



Image
Här har jag lödit dit de två kontakterna för anslutning av drivspänningen på +/-18V och klockpulserna från processorn som sitter på det andra kretskortet som ännu inte är klart.




Image
Här har jag satt dit de komponenter som behövs för att omvandla och filtrera de inkommande spänningarna på +/-18V till +/-15V som är huvudspänningarna som används internt på ccd kortet. Jag har också anslutit de externa +/-18V drivspänningarna till kabelstumpen för att se att det hela fungerar innan jag löder dit ytterligare komponenter, det gjorde det, 15V överallt där det ska vara på kortet och ingen oroväckande hög strömförbrukning.




Image
Här sitter ytterligare tre spänningsomvandlare installerade, två stycken fasta för 5V, två olika för samma spänning för att inte störningar ska spridas på kortet mellan kretsarna. Dessutom en variabel som ska ställas in på -7,5V som ska skickas till ccd'n, den spänningen justeras med den lilla beiga trimpoten längst ned till höger på kortet. Nu finns även 5 och -7,5 överallt på kortet där det ska vara och allt ser bra ut. I den här typen av konstruktioner är det viktigt att spanningarna kommer fram i rätt ordning när man slår på strömbrytaren annars kan elektroniken ta skada, därför får spänningsomvandlarna sina drivspänningar i en viss ordning.




Image
På den här bilden ser ni också att jag faktiskt har lyckats löda fast de minsta komponenterna, det är de rusktigt små grönaktiga filtren som ska skydda mot störningar som kommer in via kablarna. Dessutom så sitter även de två IC kretsar som snyggar till klockpulserna på plats. Klockpulserna som kommer från processorn kan behöva jämnas till innan dom används för att skicka styrsignalerna till bildsenorn. En ccd sensor styrs av i det här fallet totalt 8 elektroniska strömbrytare som används för att transportera bilden pixel för pixel ut från ccd'n.




Image
Nu har jag också satt dit de två lite större IC kretsarna som är de elektroniska strömbrytarna som styrs av processorns klockpulser. De här strömbrytarna skickar styrspänningar till ccd'n för att hantera exponering och bildtransport. Nu krävs lite mer omfattande tester att alla klockpulser finns på plats innan jag löder vidare. Testerna går till så att jag ansluter en standard testmodul som innehåller en sådan processor som jag tänker använda, när den laddas med rätt programvara och ansluts via kablarna och skickar sina klockpulser så kan jag se att styrsignalerna som kommer ifrån de elektroniska strömbrytarna ser riktiga ut.

Återkommer strax hoppas jag...

Anders
Observatorium v2.0: http://www.hemlin.se/astroweb
User avatar
Robert
Site Admin
Posts: 2983
Joined: 2005-12-06 11:07:12
spamtest: JA
Location: Alingsås
Contact:

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by Robert »

Kul att läsa om ditt projekt.
User avatar
Timo
Posts: 1114
Joined: 2005-12-10 00:08:59
Location: Immeln

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by Timo »

Visst, det är alltid spännande och intressant att följa tekniska projekt som vi amatörer ger oss på.
Hur mycket amatör du sen är när det gäller detta vet jag förstås inte :P

Timo
Everything has beauty,but not everyone sees it. Confucius
Starsoft
Posts: 1501
Joined: 2007-09-20 14:21:00
Location: Gävle
Contact:

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by Starsoft »

Hur mycket amatör du sen är när det gäller detta vet jag förstås inte
När det gäller elektroniken så är jag nog en glad amatör som tidigare kommit i kontakt med de som varit proffs och fått chansen att lära mig en del. När det gäller programmen till det här så är det vad jag arbetar med till vardags så där kan jag väl kalla mig proffs. Det är nog en ganska bra fördelning för när jag letat runt på nätet så verkar det vara programvarorna som liknande projekt har fallit på.

Hoppas det finns intresse för någon mer att prova på att bygga en kamera framöver men annars kommer det nog att vara givande för alla som använder ccd när projektet kommer lite längre, för det kommer säkert att dyka upp många intressanta frågor med bäring på ccd kameror generellt.

Jag har varit nyttig i helgen så här kommer lite bilder på framstegen...

Image
Här har jag i kortets överkant lödit fast en till beige trimpot och en liten IC krets. Dom är till för att hantera de snabbaste klockpulserna som förekommer i kameran, pulserna som matar ut de enskilda pixlarna. Det handlar om ca 0,5 miljoner pulser per sekund, kameran kommer alltså att mata ut 0,5 megapixel per sekund vilket betyder att det kommer att ta knappt en sekund att läsa ut en full bild med 16 bit upplösning och skicka den vidare till datorn. Det här är en viktig kameraegenskap, proffsen brukar prata om 0,1 megapixel per sekund, det är så att bruset ökar i bilden med högre hastighet. Jag förmodar att alla bättre kameror har någon typ av inställning för den här hastigheten. Trimpoten är till för att finjustera det pulsernas utseende och den påverkar inte hastigheten, det gör man i mjukvaran.


Image
Här sitter även trimpoten för "amp-off" spänningen på plats till vänster om bildsensorn, den reglerar hur lågt man sänker matningsspänningen till bildsensorns elektronik när amp-off är aktivt. Man stänger alltså inte av sensorns elektronik helt som man skulle kunna tro, då blir det ingen bild alls. Det här är också en viktig inställning som påverkar kamerans egenskaper, för låg amp-off spänning ger sämre dynamik och mer brus, det är förmodligen också temperaturberoende vilken amp-off spänning som är optimal.


Image
Här sitter den fjärde och sista trimpoten där den ska i kortets överkant, den reglerar ccd sensorns "substrate voltage", här finns nog också en hel del intressant som behöver undersökas för att hitta en bra nivå som ger en lämplig kompromiss mellan dynamik och känslighet vid en viss temperatur. Normalt genereras den här spänningen internt i ccd sensorn men eftersom sensorn är optimerad för att sitta i en okyld videokamera så tror jag att det är bäst att hitta en egen nivå.


Image
Jag har också satt dit filterkretsarna för spänningsmatningen till utgångsförstärkarna men själva förstärkarna och deras kringkretsar sätter jag inte dit innan jag sett att bildsensorn fungerar och jag kunnat mäta nivåerna på ljus-signalen så jag vet vilken försärkning det ska vara.


Image
Här har jag lödit kablar för att ansluta kamerakortet till den tillfälliga processorn som jag använder för att generera klockpulserna. Jag har också satt dit hållaren för bildsensorn så att jag ska kunna kontrollmäta alla spänningar och pulser innan jag sätter dit bildsensorn.


Image
Efter kontrollmätningar så satte jag dit bildsensorn, startade ett litet testprogram som kontinuerligt exponerade ca 1s och sedan laddade ut bilden. Därefter så mätte jag utsignalen från ccd'n och beräknade jag värdena till utgångsförstärkarna och lödde dit dessa. Motståndet som sticker ut upptill till höger är där spänningsvärdena som motsvarar ljuset på pixlarna kommer ut. Skulla jag köra utmatningen tillräckligt sakta så skulle jag kunna mäta ljusstyrkan för varje pixel med en voltmeter och rita upp en bild manuellt, men det skulle ta ett tag att mäta 330 000 pixlar...

Att ccd'n ser ut som en liten TV lär bero på någon underlig reflex från blixten.


Image
Så här långt har allt gått oroväckande bra, en del av de minsta komponenterna har jag fått löda om och någon komponent satte jag dit fel värde på, men nu verkar allt fungera som det ska. Bilden visar hur signalen ut från kamerakortet ser ut när det är nästan mörkt. De lägsta punkterna på kurvan är systemets noll nivå, de högsta lite suddiga horisontella strecken är spänningsnivån för pixlar. På grund av att oscilloskopet ritar samma kurva många gånger så ser man värdet för kanske många hundra pixlar ovanpå varandra, därför är nivån brusig eftersom ccd'n inte är jämt belyst.


Image
Här har jag släppt på lite ljus och då ser man att spänningen ökar i pixelpositionerna.


Image
Här är ljuset nästan så starkt att sensorn börjar bottna vilket den ska göra vid ca 4V när allt är intrimmat.

Jag har också provat att köra mätningen långsammare så att jag på oscilloskopet ser en hel pixlerad läsas ut, lägger jag då en tråd över sensorn så ser jag att pixkarna i mitten på sensorn ger lägre spänning och motsvarande mätning i vertikalled ger samma resultat. Så det verkar som det kommer en bild ut från kamerakortet, nu återstår processorkortet att tillverka innan det blir riktigt roligt.

Jag skulle nu relativt enkelt kunna koppla ihop utsignalen med en analog-digital omvandlare som sitter i processorn på testkortet, det är så man gör på riktigt billiga kameror. Till den här kameran behöver jag minst två processorer, en som hanterar ccd'n och en som hanterar USB och övrigt, om man kör USB och ccd hantrering i samma processor så lär det bli en hel del artefakter i bilden.

En snabb summering av mina erfrenheter så här långt är att det är pilligt att löda och jag blir inte nöjd med resultatet, men det fungerar. Om jag kan få hjälp till ett vettigt pris så kommer jag nog att lämna bort korten när det ska på dyrare bildsensorer. En Kodak KAI-04022 kostar idag ca 1000$ så då vill jag inte att kortet ska vara tveksamt, men kanske jag lär mig att löda efter några försök till. Programvaran till kameran är enklare än jag trodde, för basfunktionerna krävs bara typ 2-3 A4 sidor med kod, lite mer när binning och crop kommer till.
Observatorium v2.0: http://www.hemlin.se/astroweb
User avatar
Robert
Site Admin
Posts: 2983
Joined: 2005-12-06 11:07:12
spamtest: JA
Location: Alingsås
Contact:

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by Robert »

Intressant bygge :) Fast det ser ut som om du använt samma bild flera gånger i senaste beskrivningsomgången.

Ditt kort ser väldesignat ut på det som jag kan se,. Vet inte riktigt hur din cpu lösning är. Kommer den läsa ur och lagra till minne på det kortet eller läsa ur mindre block som förs över via usb och sedan läsa ut ett block till osv? Typ så som de flesta ccd kamerorna har gjort och kan leda till bias effekter.

Eller har du minne nog för att läsa ut allt i ett svep till en framebuffer på cpu kortet?
Du har inte funderat på att göra det mesta av logikern med en fpga?
Starsoft
Posts: 1501
Joined: 2007-09-20 14:21:00
Location: Gävle
Contact:

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by Starsoft »

Fast det ser ut som om du använt samma bild flera gånger i senaste beskrivningsomgången
Jag gjorde det misstaget först men nu är väl alla bilder olika även om det är få komponenter som kommit till mellan vissa bilder.
Vet inte riktigt hur din cpu lösning är
Här finns många frågor därför ligger jag lite efter med den konstruktionen, som du påpekar så vore det bra om det fanns en minnesbuffert för att mellanlagra hela bilden men det för med sig en hel del krångel så det är väl därför som man i så många komersiella kameror fuskat med den biten. I den första versionen tänkte jag använda ett 4KB FIFO minne som kan lagra en pixelrad i taget från sensorn så att den kan läsas ut med konstant hastighet. Läser jag sedan ut alla raderna i sensorn med exakt tidsintervall så borde det gå bra. Då måste naturligtvis USB överföringen hinna med att ta hand om raderna men det tror jag ska gå genom att jag inte har så bråttom, i värsta fall får jag ta längre tid mellan raderna, så länge som tiden mellan raderna är konstant så ska det gå utan bias problem.

Jag funderar även på om jag skulle sätta på en läsare för SD minneskort i stället för att använda DRAM, SD korten ska vara snabba nog för att ta emot pixlarna från sensorn utan probelm. Med en sådan lösning så får jag ju dessutom en funktion som kan vara användbar på andra sätt.

Jag har tyvärr ingen erfarenhet av fpga, så för att det här ska gå framåt så får jag hålla mig till det jag begriper mig på, processorer från Atmel och Microchip. Dom har i det här fallet en del problematiska begränsningar som man skulle komma förbi med en fpga så det kan vara något att titta på framöver.

Jag kommer att lägga ut hela projektet för nedladdning så fort kameran har visat att den är något att ha, då får gärna någon som har kunskaper och intresse titta på hur hårdvaran är löst. I det här skedet vill jag göra det på mitt eget vis även om det är långt från optimalt, då kan jag på snabbaste sätt komma fram till en komplett lösning, från bildsensor till klientapplikationen. Därefter finns alla möjligheter att optimera delarna i systemet för de som känner sig manade.

Till styrningen av kameran kommer jag att göra en generell dll som någon med lämpliga kunskaper enkelt skulle kunna gör till en ASCOM driver, jag har minimal erfarenhet av den typen av programering, någon som vet något om sådant? Jag har inte hittat någon SDK för Maxim, det verkar bara handla om ASCOM där, AstroArt däremot har ett bra SDK så där är inga problem.

Anders
Observatorium v2.0: http://www.hemlin.se/astroweb
mikael
Posts: 251
Joined: 2005-12-08 18:25:42
Location: Enköping
Contact:

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by mikael »

Intressant att följa arbetet! Jag håller på att försöka få med mig folk att göra en CCD-kamera som kandidatarbete här på chalmers, hoppas att det blir något av det.
/Mikael Mårtensson, martenssonphoto.se
Starsoft
Posts: 1501
Joined: 2007-09-20 14:21:00
Location: Gävle
Contact:

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by Starsoft »

Låter spännande med ditt kandidatarbete, hoppas det går vägen och att vi får läsa om det. Jag kommer att tänka på en gång för många år sedan när jag var i Chalmers halvledarlab och tittade på en ccd sensor man hade gjort, fascinerande att se hur det gick till.

För övrigt så rullar mitt kameraprojekt på, ett första test-kamerahus som Per Forsberg, "funkstar", har tillverkat är på väg. Nästa vecka bör jag ha det första cpu kortet klart och därmed också förhoppningsvis de första bilderna att visa upp.

Anders
Observatorium v2.0: http://www.hemlin.se/astroweb
mikael
Posts: 251
Joined: 2005-12-08 18:25:42
Location: Enköping
Contact:

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by mikael »

Ser fram emot att se de första bilderna.

Har du några tips om litteratur eller webbresurser som kan vara nyttiga?
/Mikael Mårtensson, martenssonphoto.se
User avatar
Robert
Site Admin
Posts: 2983
Joined: 2005-12-06 11:07:12
spamtest: JA
Location: Alingsås
Contact:

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by Robert »

Här är ett bra dokument från Kodak som beskriver ganska bra många olika källor till brus i en CCD kamera.

http://www.kodak.com/global/plugins/acr ... ources.pdf
Terje
Posts: 525
Joined: 2005-12-08 18:38:52
Location: Alingsås

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by Terje »

mycket brus bli det... och det var ändå bara det ideala bruset utan skruttig elektronik som genererar andra egna störningar... nästan konstigt att vi överhuvudtaget kan urskilja något på bilderna :)
Starsoft
Posts: 1501
Joined: 2007-09-20 14:21:00
Location: Gävle
Contact:

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by Starsoft »

Har du några tips om litteratur eller webbresurser som kan vara nyttiga?
Här är några länkar till siter som jag funnit intressanta, fransmännen med Christian Buil i spetsen först, jag har inte läst boken men den är säkert köpvärd.

http://www.astrosurf.com/audine/English/index0.htm
http://www.willbell.com/ccd/ccd4.HTM
http://www.qsimaging.com/ccd_noise_measure.html
http://www.roperscientific.de/theory.html
http://learn.hamamatsu.com/tutorials/noisegraph/
http://obs.carnegiescience.edu/instrume ... /gcam.html
http://www.kodak.com/global/en/business ... path=12497

Dessutom ett par länkar till ett par hobbyprojekt som jag hittat där kunskapen inte riktigt når upp till fransmännens nivå.

http://www.cfht.hawaii.edu/~baril/Pyxis/
http://www.uai-ccd.com/
http://www.ccdguy.com/files/GenesisCCD% ... uction.PDF

Överlag lite svårt att hitta framgångsrika amatörprojekt på nätet, de få jag känner till har ju blivit komersiella och därmed raderat all meningsfull information om konstruktionen från nätet.

mycket brus bli det...
Nog har jag fått en del insikter om brus som jag borde tagit reda på innan jag köpte dyr ccd kamera, typ hur viktigt det är med lågbrusig sensor och dessutom fungerande kylning, annars kan det bli så att man går och köper en brusgenerator.

Anders
Observatorium v2.0: http://www.hemlin.se/astroweb
mikael
Posts: 251
Joined: 2005-12-08 18:25:42
Location: Enköping
Contact:

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by mikael »

Oj, tack så mycket för alla länkar. Det är säkert mycket matnyttigt på dem som jag ska kolla igenom om kandidatarbetet blir av och det hoppas jag. Hoppas att jag får med någon kille som är bra på programmering bara, det är inte min starka sida :D
/Mikael Mårtensson, martenssonphoto.se
mikael
Posts: 251
Joined: 2005-12-08 18:25:42
Location: Enköping
Contact:

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by mikael »

Nu har jag kollat igenom en del av länkarna och känner mig riktigt sugen på att dra igång :) Jag kanske kommer att dra igång ett bygge även om det inte blir något kandidatarbete av det. Det verkar kul. Om kandidatarbetet blir av ska jag nog köpa Christian Buils bok. Nu ska jag sluta att kapa din tråd!
/Mikael Mårtensson, martenssonphoto.se
Mpao
Posts: 3
Joined: 2009-11-25 09:33:39
spamtest: JA

Re: StarCamEx - äntligen på gång

Post by Mpao »

Hello,
sorry for writing in english, but I dont' read swedish .... :(
I'm afraid I didn't know of this project that seems very neat and interesting.
I'd like to read more of this topic : could you suggest an automated translator swedish to english ?
Thanks,
Marco