Marco Bagaglia - Associazione Astronomica Umbra -
Osservatorio Astronomico e Geofisico di Scheggia/Pascelupo
Marzo 2004
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 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.
.
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.
Fig.8 schema a blocchi del uPD16510
Questo integrato incorpora:
·
un circuito di
conversione di livello (A)
·
uno stadio d’uscita
a 3 livelli (B)
La sua funzione è quella di pilotare il CCD come Vertical Register Driver.
Per questo vengono usati quattro dei
suoi canali. Inoltre un altro canale pilota l’otturatore elettronico.
L'integrato SAA8116
Nella fig. 9 vediamo lo schema interno di un
classico circuito di controllo per webcam costruito dalla Philips e da altri
produttori. La sigla Philips del dispositivo è SAA8116.
Fig.9 schema a blocchi di un SAA8116
Questo circuito integrato comprende al suo
interno:
·
un microprocessore
(A)
·
un'interfaccia
USB (B)
·
una sezione dedicata
all'audio (C)
·
circuiti
d'elaborazione del segnale video (D)
·
un sistema per il
controllo dell'alimentazione (E), che permette di ridurre il consumo di tutta
la webcam a livelli molto bassi quando non usata (la cosiddetta condizione di
standby)
Le sue funzioni sono molteplici. Vediamo le piu importanti:
·
il microprocessore
interno è basato sulla struttura del l’80C51 e controlla diversi parametri tra
cui il controllo automatico del bianco (AWB), l’autoesposizione (AE),
l’interfaccia USB.
·
è compatibile con
sensori VGA CCD e CMOS.
·
elabora il segnale
RGB
·
tiene conto dei
pixel difettosi dissimulandoli
·
la matrice dei
colori è programmabile
·
ha la correzione del
gamma programmabile
·
ha un generatore
interno d’impulsi (PPG) adatto a diversi modelli di CCD della Sony, Sharp e
Panasonic
·
è possibile
programmare i tempi di scansione orizzontali e verticali per pilotare
correttamente i sensori CMOS
Nella Tab. 3 possiamo vedere i sensori con cui
questo circuito integrato è compatibile
Tab. 3 sensori
compatibili con l’SAA8116
Un suo schema d’applicazione tipico, che possiamo considerare come quello
scheletrico di una semplice webcam con sensore CCD, è quello riportato in fig. 10
fig. 10 schema a blocchi applicativo di un SAA8116
L’integrato TDA8787
Il circuito integrato TDA8787 è un convertitore A/D a 10 bit, che permette
di trasformare il segnale d’uscita del CCD che è analogico in digitale. Al suo
interno sono presenti diversi circuiti tra cui:
·
un doppio circuito
di campionamento (A)
·
un amplificatore (B)
·
dei regolatori di
tensione di riferimento (C)
·
un convertitore
analogico/digitale a 10 bit (D)
·
un’interfaccia
seriale (E)
In fig. 11 è possibile vedere lo schema a blocchi di questo dispositivo.
fig. 11 schema a blocchi del TDA8787
Aspetto di una webcam con
sensore CCD
Vediamo ora l’aspetto
fisico di una webcam molto nota, utilizzata da tanti dilettanti. Si tratta della
TuoCam PCVC740K della Philips (fig. 12). Questa webcam ha dato delle ottime
prestazioni nella ripresa delle immagini astronomiche. La sensibilità
dichiarata è migliore di 1 lux. Si
presta ad essere modificata con relativa facilità poiché si basa sui componenti
che abbiamo appena esaminato.
fig. 12 La TuoCam Pro PCVC740K della Philips
All’interno del guscio
a forma d’uovo si trova un circuito stampato di dimensioni 43 x 37 mm, di cui
in fig. 13 e 14 vediamo la faccia superiore e quella inferiore. Come si vede si
tratta di un montaggio fatto con componenti saldati direttamente sulle piste
del circuito, denominati SMD (Surface Mounting Device) ovvero “dispositivi a
montaggio superficiale”. Questa tecnica, sebbene efficiente perché permette di
ridurre drasticamente le dimensioni d’ingombro, costringe colui che vuole fare
modifiche a questo tipo di circuito ad usare delle modalità particolari di saldatura/dissaldatura dei
componenti.
fig. 13 circuito stampato della TuoCam PCVC740K,
lato connettore USB
fig. 14 circuito stampato della TuoCam Pro
PCVC740K, lato sensore CCD
Attualmente questa webcam non è più in produzione ed è stata sostituita da un nuovo tipo: la TuoCam Pro II. L’aspetto estetico è notevolmente cambiato (Fig.15) ma il circuito elettronico è essenzialmente invariato, pertanto anche questo nuovo modello si presta ad essere modificato.
fig. 15 TuoCam Pro II PCVC 840K
Qualche problema viene dal fatto che mentre nel primo modello di TouCam era possibile alloggiare direttamente dentro il suo stesso contenitore i circuiti ausiliari di modifica, con la TuoCam Pro II questo non è più possibile, perché l’involucro della webcam è di dimensioni notevolmente minori. Pertanto qualora si desideri effettuare delle modifiche è praticamente obbligatorio smontarla, ricavandone il circuito stampato che alloggia i componenti. Questo sarà poi rimontato in un contenitore realizzato appositamente oppure scelto tra i tanti reperibili in commercio adatti al montaggio di circuiti elettronici.
Conclusione
Da questo sintetico esame dei circuiti delle webcam scaturiscono alcune
conclusioni che, pur essendo basate sulle mie esperienze personali, possono
dare una linea guida nella scelta di una webcam per uso astronomico:
·
viste le
considerazioni fatte sulle webcam CMOS e sui loro sensori, queste devono essere
preferibilmente utilizzate così come fornite dal costruttore
·
se si vogliono fare
delle modifiche per regolare il tempo d’esposizione, raffreddare il sensore
ecc. occorre munirsi di webcam con sensore CCD, tenendo conto dei vincoli
circuitali esposti (uso del mPD16510)
Un ultimo consiglio: prima di iniziare a modificare una webcam studiatela a
fondo per trovare la migliore soluzione sia elettronica sia meccanica. Questa è
la garanzia per avere successo in questa operazione. Consiglio inoltre di
consultare gli innumerevoli siti Internet dove sono indicate con dovizia di
particolari tutte le modifiche effettuabili per un particolare modello. Per chi
conosce l’inglese un ottimo punto di partenza sono le pagine di Steve Chambers.
L’attuale indirizzo web è indicato nella Bibliografia alla prima voce
degli Indirizzi Web.
Bibliografia
Data sheet Philips: SAA8116, TDA8787
Data sheet NEC: mPD16510
Data sheet Sony: ICX098AK
Data sheet ST: 24C04W6
Spie's oemagazine, febbraio 2002 Pag.30-33 “Dueling Detectors” James Janesick
Sarnoff Corp.
“Photogrammetric Week 01”, D.Fritsch & R.Spiller Eds. Wichmann Verlag,
Heidelberg,2001
Pag. 131-137 Nicolas Blanc, Zurich “CCD versus CMOS
- has CCD imaging come to an end ?”
The University of Edinburgh, november 1998 Neil Marston, “Solid state imaging: a
critique of the CMOS sensors”
Users
Manual PCVC740K TuoCam Pro Philips
Indirizzi web:
http://www.pmdo.com/ ........
.......................le modifiche alle webcam di Steve Chambers
http://www.rccr.cremona.it/monografie/luna/webcam.htm
…………………….in italiano
http://www.stellarproducts.com/imageall/ToUcam/ToUcam.htm ..... misure sulle TuoCam
http://www.telescopes-astronomy.com.au/toucam_philips.htm
http://www.stargazing.net/david/toucam/
http://products.sel.sony.com/semi/ccd.html …………………………………
sensori Sony
.
http://www.kodak.com/global/en/digital/ccd/
.............................................. sensori Kodak
http://www.ovt.com/
..................................................................sensori
CMOS Omnivision
http://www.consumer.philips.com/
...............................................................webcam Philips
http://www.progressivescan.co.uk/ …………………..scansione progressiva e interlacciata
http://www.canon.com/technology/detail/device/cmos/index.html …………sensori Canon
http://homepage.ntlworld.com/molyned/index.htm
...................………...elenco di webcam
usate per immagini
astronomiche
[1] L’efficienza quantica QE è l’abilità del sensore ad intercettare fotoni e
generare di conseguenza degli elettroni per effetto fotoelettrico