Zrób własną kamerę CCD!

Zabawę w cyfrowe obserwacje astronomiczne radzę rozpoczynać od webkamerki. Można się tanim kosztem bardzo wiele nauczyć, zrobić ładne zdjęcia planet, gwiazd czy obiektów Messiera a nawet wykonywać pomiary blasku gwiazd zmiennych. Kiedy jednak nabierzemy już wprawy a nasz apetyt wzrośnie zaczynamy marzyć o "prawdziwych" astronomicznych kamerach CCD jak słynne SBIGi czy Apogee. Pomimo bezsprzecznych zalet zasięg webkamerek jest bowiem ograniczony (nawet przy 20cm teleskopie) do jaśniejszej połowy listy Messiera, a możliwa do uzyskania dokładność fotometrii nie przekracza kilku procent magnitudo. Jeśli marzy nam się prawdziwe "deep sky" albo chcemy odkrywać nowe gwiazdy zmienne czy szukać pozasłonecznych planet (do czego potrzebna jest precyzja lepsza niż 1% m) trzeba sięgnąć na wyższą półkę.

Niestety, między półką z webkamerkami a SBIGami i Apogee zieje cenowa przepaść. Pomimo imponującego tempa rozwoju elektroniki nic nie wskazuje na to, żeby w najbliższym czasie uległa ona zmniejszeniu. Jeżeli więc nie stać nas na zakup kamery klasy SBIGa, pozostaje ... wykonać ją samemu.

Chyba najbardziej udaną próbą rozwiązania tego problemu jest projekt kamery AUDINE francuskiej grupy AUDE i jego amerykańska modyfikacja GENESIS. Najważniejszą zaletą tego projektu jest fakt, że ... istnieje! Przystępując do budowy kamery nie trzeba się więc martwić o to jak zaprojektować układ elektroniczny, co wcale nie jest trywialne. Pamiętajmy, że zależy nam na czułości na pojedyncze fotony i przeszkadzać nam będzie szum liczony w pojedynczych elektronach! Istnieje bardzo bogata dokumentacja i wiele gotowego oprogramowania. Powstało już conajmniej kilkaset kamer tego typu. Ich użytkownicy ciągle je ulepszają i na ogół chętnie dzielą się swoimi doświadczeniami.

W podstawowej wersji kamera posiada znakomity sensor Kodak KAF-0401E: 768x512 pikseli o boku 9 mikronów, efektywność kwantowa powyżej 30% w całym zakresie widzialnym, sięgająca 60% dla światła żółtego, zakres dynamiczny rzędu 1:100000. Ta sama elektronika może też pracować z sensorem KAF-1602E z 1536x1024 pikseli, o podobnych parametrach.

Standardowo kamera podłączana jest do komputera przez port LPT. Istnieje też możliwość zastosowania interfejsu USB lub sieciowego (ethernet). CCD jest chłodzone ogniwem Peltiera i wentylatorkiem (można też wodą). Kamera wyposażona jest w mechaniczną migawkę. Wymaga zasilania +15V i -15V do CCD, +12V do migawki i wentylatorka oraz +5V (3A) do Peltiera. Posiada złączkę do teleskopu 1,25" i gwint do obiektywu fotograficznego M42 (np. Zenit)

Francuska firma Essentiel Electronique (cennik AUDINE) i twórca GENESIS Rick Smith oferują rozmaite wersje zestawów do samodzielnego montażu, począwszy od samych płytek drukowanych, a na gotowych, przetestowanych kamerach skończywszy. Oto uproszczony cennik:

Cen w pierwszych 5 wierszach nie należy sumować, gdyż każda zawiera w sobie poprzednią. Ogniwo Peltiera i wentylator wliczone są do mechaniki. Ceny CCD u Kodaka wynoszą $290 za KAF401E i $2020 za KAF1602E. Amerykański zasilacz jest dużo droższy niż francuski, gdyż zawiera stabilizator temperatury.

Budując kamerę najwięcej można zaoszczędzić na zasilaczu, mechanice i oczywiście na montażu całości. Przy produkcji poniżej 10 sztuk nie opłaci się wykonywać samodzielnie płytek drukowanych. Trudno mi natomiast powiedzieć ile można by zaoszczędzić kupując samemu elementy elektroniczne.

Nasza własna Genesis

Autor niniejszej witryny przy współpracy z Astrokrakiem podjął wysiłek zbudowania kamery w oparciu o elektronikę Genesis. Celem była próba obniżenia kosztów i zdobycia doświadczeń przydatnych innym i nam samym w przyszłości. Jest to część większego przedsięwzięcia mającego na celu udostępnienie szkołom i miłośnikoam astronomii w Polsce osiągnięć najnowszej techniki po przystępnych cenach (zob. także HoU i TiE).

Zdecydowaliśmy kupić w USA CCD KAF401E, płytki drukowane, elementy elektroniczne, uszczelki, migawkę i ogniwo Peltier (w Polsce ciężko kupić peltiera o potrzebnym kształcie) co w sumie kosztowało wraz z wysyłką $680. Migawka kosztowała $89, ale na początek baliśmy się ryzyka własnej kostrukcji tego dość krytycznego elementu. Całą mechanikę wykonał Astrokrak wzorując się na projekcie Genesis. Elektronikę zmontował nasz zaprzyjazniony elektronik Krzysztof Kierzkowski.

Wysoko oceniam współpracę z Rick'iem Smith'em. W ciągu kilku godzin odpowiada na wszystkie pytania. W ciągu kilku dni zamówiony sprzęt dociera do dowolnego miejsca w Polsce za jedyne $20. Jest otwarty na niestandardowe zamówienia. Akceptuje rozmaite formy płatności. A do tego jest fachowcem i zna Genesis na wylot. Na przesłanym mu zdjęciu zauważył błąd w montażu płytki!

Bardzo dokładny opis montażu i uruchamiania Genesis znajduje się na stronach The RIM. Polecam wersję PDF - całość w jednym pliku, gotowa do wydrukowania.

W naszej wersji kamery dokonaliśmy następujących modyfikacji:

• zmiana wszystkich gwintów z calowych na metryczne
• radiator i wentylator od procesora Athlon (~40 zł)
• nieco cieńsze denko i wieczko, za to bez wyfrezowań
• gwint do statywu w dodatkowym elemencie z boku, zamiast w denku
• wmontowana złączka gazowa, kamera wypełniona argonem (w oryginale zastosowano suszki)

Kamera sprawuje się znakomicie. Niestety fatalna pogoda nie pozwoliła dotychczas na pełne wykorzystanie jej możliwości. Poniższe obrazy zarejestowano przy dość zamglonym niebie (76% wilgotności). Pierwsze przedstawia gwiazdozbiór Cefeusza, wykonane obiektywem Zenit (f=58mm, f/2). Ekspozycja 20s. Centrum zdjęcia: RA= 22h 36m, Dec=+82^o18'. Pole 6^o50' x 4^o30' (północ u góry). Widoczne gwiazdy do 12^m. Drugie to oczywiście M42 sfotografowana Meade ETX-70 (f=350mm, f/5). Ekspozycja 5s. Pole 68' x 45'.

G.W.