Marco Bagaglia - Associazione Astronomica Umbra - Osservatorio Astronomico e Geofisico di Scheggia/Pascelupo

Marzo 2004

Webcam e astronomia

 

 

Attualmente sul mercato sono disponibili molti modelli di webcam che possono essere utilizzati per riprendere immagini astronomiche. Queste camere sono diverse da quelle specificamente studiate per uso astronomico. Ad esempio la prima diversità che si nota è quella della mancanza del raffreddamento del chip, che di solito è realizzato con dei dispositivi denominati celle Peltier, oltre ad essere coadiuvato in alcuni casi dalla possibilità di far circolare del liquido nel radiatore di dissipazione al fine di asportarne il calore. Nonostante tutto in questi ultimi anni le webcam, stante la loro continua evoluzione dal punto di vista tecnologico, sono state sempre più utilizzate, in particolare dagli appassionati dell’osservazione del cielo, per impieghi dedicati all’astronomia: una classica applicazione è quella delle ripresa degli oggetti del Sistema Solare. La Grande Opposizione di Marte verificatasi nei mesi scorsi ci ha regalato delle spettacolari immagini del Pianeta Rosso realizzate con le webcam. Con queste note, basate essenzialmente sulla mia esperienza personale, voglio dare un modesto contributo alla conoscenza, soprattutto dal punto di vista elettronico, di queste piccole, sorprendenti ed efficaci macchine. Inoltre spero che siano di utilità per coloro che intendono  effettuare delle modifiche al loro circuito.

 

Tipi di webcam

Al momento sono disponibili in commercio essenzialmente due tipi di webcam che differiscono per il genere di sensore impiegato: CCD e CMOS. Poi per quello che riguarda marca e modello, la scelta è molto vasta come anche i prezzi. Quelle che impiegano il CCD hanno un sensore simile a quello che usano le vere e proprie camere per astronomia. E sono maggiormente apprezzate perché il sensore è più “silenzioso” dal punto di vista del rumore termico ed elettronico generato. Quelle CMOS impiegano un tipo di sensore maggiormente rumoroso, ma sicuramente molto più economico. In ogni caso è doveroso osservare che i sensori CMOS stanno sempre più migliorando e quindi il divario tra loro e quelli CCD si sta riducendo. Di conseguenza ci si auspica che entro breve vengano prodotte delle webcam CMOS con prestazioni simili a quelle CCD.

Sensori d’immagine CCD e CMOS: qualche considerazione in merito

 

Il sensore CCD è costituito da una serie di elementi fotosensibili, chiamati pixel, che sono tipicamente disposti in una matrice bidimensionale di righe e colonne (Fig. 1).

 

 

Fig. 1 matrice di pixel di un CCD e sistema di lettura

 

Dopo l’esposizione, ogni pacchetto di cariche che è dentro la matrice, viene trasportato ad un’uscita comune che converte la carica in voltaggio. Dal punto di vista del rumore termico e del rumore elettronico i sensori CCD sono dispositivi ragionevolmente “quieti”. In ogni caso il fatto che usano un amplificatore d’uscita unico, adattabile per un’ottima figura di rumore, consente di ottenere prestazioni elevate in questo senso.

 

 

 

Fig. 2 due sensori della CANON: un CCD e un CMOS

 

I pixel dei sensori CMOS sono praticamente uguali a quelli dei CCD e disposti sempre in una matrice a due dimensioni. Ogni pixel contiene un dispositivo fotosensibile che normalmente è un fotodiodo e dei transistor MOSFET. Nel caso dei sensori con tecnologia APS (Active Pixel Sensor), attualmente abbastanza diffusi, in ogni pixel è incorporato anche un amplificatore che consente di ottenere una figura di rumore migliore. La sensibilità e la risoluzione spaziale sono correntemente inferiori a quelle dei CCD, in particolare nei sensori più economici. Questo problema si manifesta soprattutto per livelli di illuminazione bassi. I sensori CMOS presentano inoltre  valori maggiori per quanto riguarda sia il rumore elettronico sia quello termico, anche se questo divario si sta riducendo a causa del miglioramento dei processi tecnologici di produzione. L’efficienza quantica[1] (QE) dei sensori CMOS è in genere minore di quella dei CCD. In ogni caso per valutare correttamente la QE occorre tenere presente tre tipi di dispersioni che si verificano nei sensori d’immagini: le perdite per assorbimento, riflessione e trasmissione. L a perdita per assorbimento è tipicamente collegata alle zone non sensibili ai fotoni, che si trovano sopra e dentro i pixel.  Le perdite per riflessione e trasmissione sono invece da imputare alle proprietà fisiche del silicio. A certe lunghezze d’onda le perdite per riflessione sono rilevanti. Per esempio a 250 nm raggiungono il 70 %: in pratica il sensore riflette molta della luce che lo colpisce. La perdita per trasmissione si verifica quando dei fotoni passano attraverso la superficie sensibile, una regione che ha tipicamente uno spessore di circa 10 mm, senza però generare delle cariche e quindi un segnale. Questa problema è evidente a lunghezze d’onda molto corte (0,2 nm ovvero raggi X morbidi) o molto lunghe (700 nm, vicino infrarosso). I sensori CMOS rispetto a quelli CCD soffrono di perdite per assorbimento superiori, perché in ogni pixel sono presenti dei transistor MOS ad effetto di campo (MOSFET) che consentono di “leggere” il pixel. Questi MOSFET sono dal punto di vista ottico insensibili e quindi non contribuisco alla cattura dei fotoni. Inoltre per ogni pixel di un sensore CMOS, sono necessari almeno tre MOSFET per effettuarne la lettura. Nei sensori CCD non sono necessari transistor di lettura e quindi sono costruiti in maniera che tutto il pixel è sensibile ai fotoni incidenti. I sensori CMOS richiedono inoltre che siano presenti alcuni collegamenti, ovviamente metallici, per interconnettere i MOSFET tra loro.Questi collegamenti sono posti sopra il pixel e producono una sorta di “tunnel ottico” che i fotoni devono percorrere per raggiungere la superficie sensibile.

Cenni sulla struttura circuitale delle webcam

La webcam ha una sua tipica struttura circuitale, che è diversa a seconda se usa un sensore CCD o CMOS. In genere le webcam che usano un sensore CCD hanno un maggior numero di componenti discreti, costituiti da circuiti integrati ed elementi passivi quali resistori, condensatori ecc. Quelle che impiegano sensori CMOS sono invece molto integrate e gli elementi separati sono pochi. Molto spesso s'impiega un unico circuito integrato che incorpora  microprocessore di controllo, interfaccia USB ecc. E il motivo per cui le webcam CMOS sono genericamente più economiche e proprio questo. La forte integrazione di gran parte delle funzioni in un unico chip, permette costi di produzione minori. Dal punto di vista funzionale entrambi i tipi sono idonei per riprendere immagini astronomiche, anche se, almeno per ora, quelle che impiegano il CCD sono in genere migliori. In ogni caso è fondamentale tenere presente che, se vogliamo modificarle per fare per esempio pose lunghe, è in pratica obbligatorio orientare il nostro interesse verso webcam che impiegano come sensori dei CCD. Il motivo è semplice: quelle che impiegano CCD sono costituite da diverse parti elettroniche assiemate, dove è possibile intervenire per controllare determinati parametri con una certa facilità. In particolare attualmente sono facilmente modificabili tutte le webcam che usano come pilotaggio per il chip CCD il circuito integrato della NEC mPD16510 o equivalenti.

 

Webcam con sensore CMOS

Come abbiamo già detto una webcam CMOS è normalmente un prodotto ad elevata scala d’integrazione. Per poter analizzare una camera di questo tipo prendiamo in esame le caratteristiche di uno dei più noti circuiti integrati, con cui vengono realizzate delle webcam disponibili in commercio. Si tratta dell’OV7620, prodotto dalla Omnivision (Fig. 2). L’integrazione di questo dispositivo è talmente spinta da comprendere anche il chip CMOS sensibile alla luce.

Fig.2 aspetto fisico dell’OV7620

 

I vantaggi principali offerti da questo di sensore sono:

·        effetto di blooming (vedi Nota) molto ridotto

·        basso consumo e quindi è molto adatto per essere alimentato a batterie

·        l’uscita è digitale e pertanto non è necessario impiegare un convertitore analogico/digitale esterno

·        il dispositivo è di piccole dimensioni e semplice nell’impiego. Sono necessari solo pochi componenti aggiuntivi (spesso solo un quarzo e qualche condensatore )

·        la progettazione di un circuito che lo impiega è in genere semplice.

 

Nota: per blooming si intende quella macchia molto luminosa che compare sull’immagine dovuta ad effetti di  diffusione tra pixel adiacenti

 

Lo schema a blocchi di questo dispositivo è riportato in Fig. 3

 

Fig. 3 schema a blocchi dell’OV7620

 

 

Nello schema sono facilmente individuabili:

·        Il sensore CMOS (1)

·        Il sistema di controllo dell’esposizione (2)

·        Il doppio convertitore analogico/digitale a 10 bit (3)

 

 

 

 

Le dimensioni del contenitore di questo circuito integrato, che ospita l’intero dispositivo, sono di appena 14,2 x 14,2 mm. L’area sensibile alla luce ha dimensioni di 4,86 x 3,64 mm. Ma vediamo anche le altre caratteristiche che, nonostante le dimensioni lillipuziane di tutto il complesso, sono di tutto rispetto (Tab.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tab. 1 caratteristiche principali dell’OV7620

 

Ovviamente l’elevato grado di integrazione di questo genere di webcam non  consente di effettuare modifiche rilevanti. Per esempio nel caso dell’OV7620 è possibile variare il tempo di esposizione inserendo un semplice timer tra alcuni pin. Oltre questo occorre usare un nuovo driver. Dopo avere effettuato queste variazioni è possibile regolare manualmente l’esposizione tra 0,5 e 10 secondi circa, tramite la rotazione di un potenziometro. Tra le tante webcam che usano questo tipo di circuito integrato possiamo citare il modello Webcam Plus e la Spacecam 200 entrambe della Creative, che sono state già modificate con successo seguendo le precedenti indicazioni.

Webcam con sensore CCD

Vediamo ora di analizzare la costituzione di una webcam con chip CCD. Ovviamente non presenterò in dettaglio lo schema elettrico di un determinato modello. Mi soffermerò essenzialmente sulle funzioni espletate da circuiti integrati che la compongono, che ci possono aiutare ad avere un’idea del funzionamento. Come già detto, questi circuiti integrati sono comuni a molte delle webcam commerciali, quindi, nella sua essenza, il circuito elettrico è molto simile.

Una webcam CCD comprende di norma i seguenti componenti:

·       il sensore CCD

·       il circuito integrato di controllo del CCD (nella maggioranza dei casi uPD16510 o equivalente)

·       un convertitore A/D (analogico/digitale), normalmente a 10 bit, che elabora il segnale d'uscita del sensore, che si presenta in forma analogica, trasformandolo in digitale

·       un'altro circuito integrato che sovrintende il funzionamento dell'intera webcam.

Noi per avere punti di riferimento definito, prenderemo in esame dei dispositivi molto diffusi e precisamente:

·       ICX098AK Sony per il sensore CCD

·       uPD16510 Nec come circuito di controllo del CCD

·       TDA8787 Philips come convertitore A/D

·       SAA8116 Philips per il circuito di controllo di tutta la webcam

Chiaramente questi componenti citati non sono gli unici ad essere presenti sul mercato. Ci sono anche altri integrati e sensori altrettanto validi che sono correntemente impiegati.

 

Il chip CCD ICX098AK

 

Il CCD della Sony IC098AK è un prodotto molto impiegato nelle webcam. Si tratta di un ottimo sensore a colori, con diagonale da 4,5 mm (1/4”), in contenitore 14 piedini plastico, munito di finestra ottica nella sua parte superiore (Fig. 4). I pixel sono quadrati. Supporta il formato VGA. La tecnica di scansione dell’array di pixel  è di tipo progressiva  e questo permette la lettura individuale del segnale da ogni pixel. Ha incorporato un filtro di tipo RGB (Bayer).

 

 

 

 

Fig. 4 aspetto dell’ICX098AK

 

Nella Tab. 2 sono riassunte le principali caratteristiche.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Tab.2 caratteristiche dell’ICX098AK

 

 

Osservando attentamente la tabella, alla voce “Parti del chip insensibile alla luce”, si nota che la finestra effettivamente attiva dell’array è spostata rispetto al centro del contenitore del sensore.

 

La Fig. 5 chiarisce quanto indicato.

 

Fig. 5 posizione della finestra sensibile alla luce

 

 

Nel suo schema a blocchi (Fig. 6) è possibile individuare chiaramente le parti che lo compongono:

·        Il registro di scansione orizzontale (A)

·        Il registro di scansione verticale (B)

·        L’amplificatore (C)

 

 

 

 

Fig. 6 schema a blocchi dell’ICX098AK

 

Nella Fig. 7 è riportato il responso spettrale di questo sensore. Da notare che la notevole sensibilità all’infrarosso. Proprio per questo motivo, per uso astronomico,viene spesso raccomandato l’uso di un apposito filtro per “tagliare” queste lunghezze d’onda, che contribuisce a dare immagini a colori di buona qualità.

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Fig. 7 risposta spettrale dell’ICX098AK

L’ integrato mPD16510

 

L’mPD16510 è un circuito progettato dalla nota azienda giapponese Nec per il controllo dei CCD impiegati nelle telecamere. Poi è diventato molto popolare  per la stessa funzione anche  nelle webcam. La sua struttura interna è abbastanza semplice. Nella fig. 8 è possibile vedere lo schema a blocchi.