Самодельная астрофотокамера

[Mixa]

Довел наконец-то до юзабельного состояния самодельную астрокамеру на основе сенсора Sony ICX453. Сенсор вытащил из Никона D50. Задумка была сделать камеру с уклоном в относительную автономность, то есть без жесткой привязки к управлению от ноутбука, и с питанием от 12В аккумулятора. Поэтому готовый комплект получился из 3 коробочек: преобразователь из 12В в набор питающих напряжений, собственно камера и контроллер. В функции камеры входит управление сигналами ПЗС, считывание сигнала, оцифровка и передача по скоростному каналу, отмеривание интервала экспозиции, а также охлаждение сенсора, стабилизация его температуры и управление вентилятором. Контроллер имеет на борту 64МБ SDRAM, разъем для SD-карточки, интерфейсы USB и RS-232 и интерфейсы связи с камерой. Считываемый кадр принимается в SDRAM, а уже оттуда записывается в виде файла на SD. RS-232 это консольный порт, с микрошеллом на консоли, откуда из командной строки происходит управление процессом съемки, то есть ноутбук не нужен, достаточно dumb терминала  .
Такой немного странный общий расклад определился многими факторами, во-первых, я очень опасался наводок на аналоговую часть, по отсутствию опыта не было заранее ясно, что и откуда более всего влияет, поэтому потенциально помеховые вещи я отнес подальше от камеры. Потом, вопрос экономичности, я принял так, что все, что меньше 90% это не КПД, отсюда низкая частота преобразования и достаточно крупный блок питания (в результате КПД 91%).
С плане софта для контроллера – очень помогли Атмеловские демки, я за основу взял USB Mass Storage demo, там микрошелл уже был плюс вся работа с USB, SD и FAT, отсюда и вся структура софта контроллера.

[Mixa]

Так выглядит собственно камера и комплект целиком.

[Mixa]

Полевые испытания не совсем доделанного варианта, который я возил на Южные Ночи, сначала выявили недостаток в виде запотевания стекла матрицы. Володя Иванов, спасибо огромное за мешочки с силикагелем!!. Я их прокалил на утюге,  положил внутрь корпуса, стало сухо и комфортно!!

[Mixa]

Потом выявился другой недостаток, запотевание фильтра снаружи, стекло фильтра находилось в 5-6 мм от стекла матрицы. Для этого запотевания я заранее предусмотрел цепочку резисторов, которую расположил перед стеклом, и этот нагреватель в общем-то помог, не считая того, что изначально резисторов было 5, но для эффективного нагрева  их нужно было оставить 4, а в процессе удаления одного поломались ноги у других, в общем в результате помог Андрей Остапенко, который в КрАО свел меня с Олегом Махиным, у которого я отмотал константана, за что обоим огромное спасибо!! Константановый нагреватель сделал все, что от него требовалось, в результате чего был получен первый приличный 20-минутный снимок М27. https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,72151.msg1290974.html#msg1290974

[Mixa]

Вдохновленный тем, что затея в общем-то получается, я решил довести конструкцию до логического конца. Долго представлял себе, как я наберу нагреватель стекла фильтра из 80-ти SMD резисторов 4,7к впараллель, припаяю их на печатку в виде колечка из тончайшего текстолита, как все это термопроводящим клеем к стеклу буду приклеивать, потом мысль – как-то некомильфо, в одном месте энергию тратить на охлаждение, в другом месте делать интенсивный теплоотвод по этому случаю, а в третьем месте тратить энергию на подогрев... Вот если бы теплоотвод в тем подогревом совместить.. Не, не получается в принципе, потому что теплоотвод делается именно ради минимальной температуры.. А потом мысль – а нафига вообще подогрев?? В общем, отодвинул стекло фильтра от стекла матрицы (~25 мм), поместив до кучи между матрицей и фильтром разные теплоуловители в виде ребристой втулки (ввинчивается и прижимает фильтр) и пластины с лепестками. Втулка и лепестки, будучи зачерненными футболистом, заодно служат и фотоноуловителями.
Следующим штрихом была модификация аналоговой части. В пробном варианте был «программный» CDS (по-русски ДКВ), то есть на каждый пиксель оцифровывался уровень 0 и уровень сигнала, а результат – простое вычитание одного из другого. Девизом пробного варианта было «максимальная простота», а после успешного испытания девизом стало уже «оптимизация в рамках принятого технического решения», а поскольку две оцифровки занимали 2 мкс, то аналоговый CDS позволил бы обойтись одной оцифровкой, что в пределе 1 мкс, что дает 2-кратный выигрыш по скорости считывания кадра, что есть большой выигрыш, поскольку при испытаниях выяснилось, что основной вклад в шум вносит область сдвига, куда накопленные заряды разом сбрасываются после экспозиции. Даже при хорошем охлаждении, когда шум области накопления такой, что можно обходиться без дарков, область сдвига шумит весьма и весьма заметно, что в итоге сподвигло к реализации CDS по методу clamp and sample.
Внутренности камеры не разделяются на гермоотсек с матрицей и остальное, осушка производится целиком, для чего к корпусу привинчена втулка, на которую изнутри надет мешочек для силикагеля, а снаружи она завинчивается крышкой.
И наконец, был оптимизирован преобразователь для питания ТЭМ Пельтье и вентилятора, и помещен в маленький отдельный отсек, привинченный к корпусу камеры. КПД преобразователя 93%.
В качестве отличительной особенности камеры стоит отметить, что скорость изменения температуры сенсора ограничена 3*C в минуту, как в процессе охлаждения, так и в процессе достижения окружающей температуры после работы. Сделано это ради смягчения теплового удара.

Ну и общие потребительские характеристики:

Разрядность представляемых данных: 16 бит
Коэффициент преобразования e-/ADU: 0,59
Глубина ячейки: 36000 e-
Общий шум в режиме 1x1: 5,5 e-
Общий шум в режиме 2x2: 6,1 e-
Охлаждение сенсора: TEC, одноступенчатый
Максимальная delta T: -47*C
Практическая delta T: -45*C
Потребляемый ток (без TEC): 220 мА
Потребляемый ток (с TEC , delta -45*C): 1,7А

Посадочные размеры:
наружный: гладкая втулка 2”
внутренний: резьба М42х1

[Mixa]

Спасибо за теплые отзывы 
Да, мотиваций было много, и зуд устранить, и самому все прощупать как оно на самом деле, и удовлетворение получить..
Зато есть некоторые практические выводы:
У Сони шикарные сенсоры, и это правда. При умеренном охлаждении темновой ток куда-то исчезает, шумы только из области сдвига идут.
Силикагель осушает мгновенно. Буквально так: охладил без силикагеля, увидел иней на стекле матрицы. Снял охлаждение, иней испарился, засыпал прокаленный силикагель, включил охлаждение - все, инея нет, стекло чистое.
Все еще есть маленький косяк, через какое-то время на стекле медленно оседает конденсат, который также неохотно исчезает со снятием охлаждения. Похоже, что это недоиспарившиеся тяжелые фракции растворителя футболиста. Надо будет прогреть.
16 бит АЦП для этого сенсора много, 14 было бы идеально. Так получилось, что шумы собственно аналоговой части мизерные, где-то 0,8 ADU rms, в пересчете на электроны 0,5e-, поэтому качественно оцифровывается шум считывания самого сенсора. Но зато в целом общий performance определяется именно сенсором, что радует, предел достигнут.
Биннинг 2х2 не приводит к увеличению макс. сигнала в 4 раза, как была яма в 36ke-, так она и остается, то есть, это яма ячеек ПЗС, а не фотодиодов.

Подробное описание схемотехнической части делать не планировал, сильно громоздко и не по профилю, но вкратце:

Блок питания. Двухступенчатый преобразователь DC/DC. Первая ступень - входное 10В-14В, понижающий ШИМ стабилизатор  выходное 8В; вторая ступень - двухтактный трансформаторный инвертор, выходы +5В цифровое, аналоговые +18, +/- 15 и +/- 9. Общий КПД мерял от входа до выхода 5В нагрузка 2А, что-то около 91% получилось. Поначалу DC/DC модулечки купил для этой затеи, но у них и КПД не тот, и шуму больше.

Камера. Функциональные блоки - местный контроллер ATXmega32; преобразователи уровня/буферы тактовых сигналов ПЗС; кучка линейных стабилизаторов; схема для отключения усилителя ПЗСки, чтоб не грелся; аналоговый тракт AD8034 (ОУ1 предварительный усилитель, ОУ2 буфер емкости запоминания нуля, clamp которая, между ними та самая емкость и ключ ADG451), AD8021 буфер АЦП и AD7671 16-бит 1Msps АЦП; генераторы тока питания датчиков температуры и схема сдвига и масштабирования сигналов датчиков, для приведения к апертуре АЦП, который у Xmega. Ну и отдельный DC/DC для пельтье и вентилятора.

Контроллер. На базе AT32UC3A3. Схемотехнически - обкоцанная до нужных размеров соответствующая демоборда EV1104 если не ошибаюсь, схема у Атмела на сайте, там же замечательные рабочие демокоды. 

Совместимости с другими софтами пока нету, но основная задача это писать файлы со снимками на SD карточку, и она выполняется. Сейчас файл это тупо массив unsigned int 16 bit, little endian. Сделать формат FITS - не проблема. Вообще, для экспериментов у AT32UC3A3 все незадействованные ноги выведены на удобные площадки, можно прицепить LCD и кнопки, интерфейс монтировки. USB может быть USB host, то есть даже сигнал гидирующей камеры можно принять, если надо будет. SD-шки сейчас огромные, там поместится каталог объектов. То есть, идея чуть более автономного, чем с ноутом,  сетапа еще не ушла и потихоньку думается.

[Mixa]

Вот такой темновой ток у этой матрицы, охлаждение до -21 градус по показометру.
Один и тот же фрагмент, выбранный, чтоб горячие пикселы не искажали статистику.
Кадры bias, темновые 10 секунд, 5 минут ...

[Mixa]

... 20 минут и один час.

[Mixa]

Я могу помочь с АСКОМ драйвером.

Dr. Zoid, спасибо за интересное предложение.. Честно говоря, в этом направлении пока не думал, но скорее всего такая надобность может случиться, если станет влом упихивать мини-планетарий в контроллер. Чего от ноута не хочу - чтобы тот занимался съемкой и гидированием, а общие руководящие указания типа навестись на объект, начать сеанс - почему бы нет.. Но это случится нескоро, сейчас начнется этап точной механики, приличная камера это даже не пол-дела, а меньше.

[Mixa]

А у меня вопросы (наивные) топикстартеру:
для изготовления рассматриваемого изделия Вы раскурочили
отнюдь не самый дешевый фотик,
или как ?

Подержаный Nikon D50, 8000р или 320$ по тогдашнему курсу - недорого IMHO за сенсор такого размера и полезное окружение.

Каков экономический эффект от подобной операции?

Оглушительный 

[Mixa]

Я немножко другое имел в виду. Хоть цена за донора сенсора такая, что расковыривать его не стыдно, это только пимпочка айсберга. Затраты не только денежные. Общую эффективность уж и не знаю, как посчитать, табель учета времени не вел. 
Для потока несколько иная концепция нужна, и опять приходим к qhy8 и sxv-m25c, потому что уклон в автономность для рынка вещь сомнительная.

[Mixa]

Не поможете с даташитом на сенсор?

Спасибо!
Для 453 не нашел. Но практически не отличается от 413-го: http://www.magzero.it/Sony_icx413aq.pdf
Другая цоколевка секции горизонтального сдвига:
20 RG
21 GND
22 Vdd
23 LH
24 H2d
25 H1d
26 Большой керамический кондер на землю.
27 H2c
28 H1c
29 GND
30 H2b
31 H1b
32 GND
33 H2a
34 H1a

Если у 413 область вертикального сдвига только на пол-кадра, и фазы V1 и V3 разнесены, то у этой на кадр, и V1 и V3 друг за другом идут.
И регистр H на две строки, за один вертикальный сдвиг сразу две строки переносятся.

[Mixa]

т.е. емкость горизонтального регистра равна 2*3040 элементов и получается, что матрица прогрессивная?

Ага. Я все 2*3110 считываю.

по сравнению с матрицами, с которыми я имел дело появился сигнал LHф  - Horizontal final stage transfer clock waveform, как он располагается по времени к сигналам Нф1 и Нф2, в описании не сосвем уловил.

Должен быть в фазе с  H2 и совпадать с ним на уровнях 1/2 амплитуды.
Да, еще отличие, питание VL у 413-й -8В, в Никоне было -7В, я так где-то -7 и сделал. -7,2 где-то.

Родной фильтр от фотика убрали?

Сейчас стоит 2" Baader UV/IR blocking, а родной да, убрал, конечно. Какое-то время он послужил просто механической защитой в процессе всяческих манипуляций

[Mixa]

Mixa, позвольте засвидетельствовать глубочайшее уважение! (мегареспект по-ненашему )
Вершина мастерства, очень редко покоряемая ЛА!

Игорь, спасибо! Скажу честно, твои результаты с Кенона служили оправданием целесообразности подобной затеи. Я на этом АФ подбирал челюсть от снимка зоны Антареса, я ее тоже фотал на ЮН-2009, результат так себе, вроде одно и то же место и время, может в Никкоре все дело, (у меня элька 200/2,8 на 5,6 была), но я решил, что лучше пусть исходный материал будет качественным и стабильным, в смысле шумов, линейности и повторяемости. Если и с этим ничего путного не выйдет - "или я идиот, или лыжи не едут" 

[Mixa]

Это очень хорошо, что прогрессивная, не как в мыльницах. Да и размер хорош при небольшой мегапиксельности.

Да, 7,8 микрон удачный размер. Основное применение планируется на инструменте с фокусом 910 мм, секунда которого это 4,4 микрона.

Сколько времени длится чтение кадра, сколько времени нужно на запись?

В Никоне читается со скоростью 20 МГц. У меня меньше мегагерца, 1,3 мкс на отсчет, хотя АЦП 1 млн отсчетов/с. Это уже ограничение выбранных атмеловских контроллеров и скорости передачи между ними. Оцифровка и передача синхронны, совмещены, кадр за 11 секунд обрабатывается, он в SDRAM после этого лежит. 12 мегабайт. Оттуда пишется на SD, но долго почему-то, секунд 20, нужно лезть в исходники демок и разбираться. С другой стороны, пока пишется, можно начинать следующую экспозицию.

[Mixa]

Огромнейший респект автору за создание подобной конструкции! Я совсем недавно в одной теме говорил человеку что сделать подобное практически невозможно 
Хотелось бы задать пару вопросов по конструкции.
1. Что используется вместо затвора, или же удается обойтись без него? Я даташита на ICX453 почему то не нашел 

Спасибо! Мечты сбываются.. 
Механического затвора нет. Опыт показал, что засветка открытых частей микросхемы даже при съемке дневных пейзажей никак не влияет на изображение. Засветка 12V галогенкой из Икеи (с отражателем) с расстояния 30 см - влияет, что несколько напрягло при первых испытаниях, но обошлось.

2. Какой модуль пельте применен в конструкции. То есть размеры и мощность. И при выборе модуля стоит обращать на  производителя или сейчас качество примерно у всех одинаково?

Как-то давно баловства ради в ЧипДипе купил модули разных размеров, среди них был 22х22 мм, вот он и подошел лучше всех. То есть, выбирал просто из того, что было под рукой. Производитель хз. Специфицируется как 19,3 Вт 8,6 В 3,9 А. Тип CP1.0-71-05L. У Melcor такой тип есть, может это он, но явно про это нигде не сказано, параметры во многом совпадают. В поисках ответа на вопрос, а на сколько он оптимален вообще, ходил на сайты Melcor и Криотерм, смотрел семейства характеристик, сравнивал с тем, что намерял у своего, прикидывал те же условия для пельтье с другими параметрами. В целом удовлетворился. В принципе можно и нужно к вопросу подойти аналитически и найти оптимум, но я этого не делал, выбирать было не из чего.
Конечная эффективность - 1,5А от аккумулятора и -47*C дельта - по-моему неплохо. Лучше, уверен, можно, но не в два раза IMHO.
Показатели эффективности модулей от Криотерма и Melcor на бумаге похожие.

3. Усилитель я так понимаю по умолчанию отключен. Каким образом выполняется включение усилителя для считывания по окончании экспозиции?

Наоборот. Отключается на время экспозиции. Для отключения сделано уменьшение Vdd до 7,5В и цепь Vss идет на землю через последовательные 820 Ом и 5,6к, последний закорочен по умолчанию ключом. Если будете курочить Никон, то там все видно, Vss так и сделана, только ключ всегда замкнут. Я поначалу подумал, что это и есть незадействованный способ отключения усилителя, но оказалось, что это не совсем так. Правильный способ такой: отключается путем размыкания ключа и понижения Vdd, можно одновременно, а включается повышением Vdd за 1,5 секунды до считывания, чтобы переходные процессы успокоились, и непосредственно перед считыванием замыкается ключ. Если ключ замкнуть вместе с повышением Vdd, за полторы секунды в углу намывает маленькое пятнышко.

4. Из описания я понял что камера пишет на SD карточку и полученное изображение просмотреть нельзя. А как тогда фокусироваться?

Так и фокусируюсь пока, снял, посмотрел, что там, следующая подвижка. Ну это ж не боевой сетап пока 

5. Как выставляется  уровень усиления (ISO), его можно менять  или он установлен на минимум?

Никак. Сначала была возможность увеличивать усиление в два раза, так, на всякий случай для слабых сигналов, не знал просто, какой шум где будет. Практика показала, что аналоговая часть своих шумов практически не вносит, а емкость ячеек ПЗС всего 36 тыс. электронов, поэтому всё это с хорошим запасом влезло в 16 бит.

Удивляет низкий уровень шума при длительных выдержках 

Ай да Сони. Могут ведь  Но почему-то только в цветном варианте. Крупнее ICX285 у них массово вроде нету.