Capteur Sony IMX178LGJ

La caméra qui équipe en standard le télescope Origin de Celestron est basée sur le capteur CMOS IMX178LQJ (color) de Sony, annoncé en sept 2013, et utilisé depuis une dizaine d’année dans le monde de l’astronomie par des marque telles que ZWO, QHYCCD, Altair etc... Donc rien de bien nouveau de ce coté là.

Sans être le dernier cri de la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) de Sony ce capteur ne démérite pas. Mais comme en astrophotographie il n'y a pas de petit gains, on espère qu'un upgrade sera proposé par Celestron dans les 2 ou 3 prochaines années.

Caractéristiques principales :

Elles ont importantes car certains logiciels peuvent vous demander ces valeurs.

Ce capteur peut être utilisé à différentes résolutions d’image. Ces résolutions sont toutes plus faibles que la résolution physique du capteur. Seules les info relatives à la résolution utilisée par l’Origin (mode All-Pixel Scan 6.3M) sont présentées ici :

Paramètre                              | Valeur pour IMX178LQJ-C
---------------------------------------+--------------------------
Résolution physique du capteur         | 3096 x 2094 pixels
Taille d’un pixel                      | 2.4 x 2.4  µm
Matrice de Bayer                       | RGGB
Résolution utilisée par l’Origin       | 3072 x 2048 pixels
- zone du capteur utilisée (diagonale) | 7.372 x 4.915 (8.860) mm
- Champ visuel                         | 1.27° x 0.85°
- Format                               | 3:2 
- Précision de la conversion A/D       | 14 bits

Quand un capteur est utilisé pour produire des vidéos il y a un compromis à trouver entre fluidité (images/seconde), précision des couleurs (10, 12, 14 bits/couleur) et détails dans l'image (résolution en pixels). En astrophotographie, où les temps d'exposition se comptent en secondes ou minutes (et non en millisecondes comme en vidéo), ce compromis n'est pas nécessaire puisqu'on n'a pas un frame-rate à respecter. C'est pourquoi l'Origin utilise la meilleure résolution (3072 x 2048 pixels) et la conversion A/D la plus précise; 14 bits (Les autres proposées par Sony étant 12 bits et 10 bits).

Voici comment on passe d'une résolution physique de 3096 x 2094 pixels à une lecture du capteur sur 3072 x 2048 pixels

Note: Quand Sony donne la diagonale de son capteur (8.92 mm) c'est celle de tout le capteur, pas celle de la zone réellement utilisée puisque elle dépend du mode de scan utilisé.

Vous lirez dans certaines (mauvaises) traductions que ce capteur est rétro-éclairé ! Mot-à-mot c’est ça, mais vu le sens habituel de rétro-éclairé il vaut mieux traduire « back-illuminated » par « recevant la lumière par le dos du circuit » même si c’est plus long et que ça ne vous éclaire pas plus ;-)
- La fabrication d’un capteur CMOS est plus simple si on commence la gravure du circuit par la surface sensible et qu'on y ajoute par dessus quelques composants pour acheminer les électrons captés vers le convertisseur A/D situé sur le coté. L’inconvénient de cette méthode dite «Front-illuminated» c’est que ces composants se trouvent sur le chemin de la lumière qui arrive au capteur et donc en amoindrisse le rendement, en plus de créer, par réflexion, des lumières parasites.
- La méthode « Back-illuminated » (qui est utilisée pour les capteurs de la famille IMX178) est plus complexe à réaliser mais à l’avantage de ne rien interposer  sur le chemin de la lumière. Le nom grand public de cette technique de construction est Startvis.

 

Dans le data-sheet du capteur IMX178LQJ-C Sony donne la courbe de sensibilité des photo-diodes et leurs filtre. On constate que la sélectivité des filtres n'est pas excellent... Par exemple au environ de  480 nm les photo-diodes bleues et vertes ont la même réponse (70%). Idem pour les photo-diodes vertes et rouges au environ de 580nm. Quand la photo-diode rouge est a son maximum (95% pour 600nm) le photo diode verte réagit à 50%.

Important: la surface sensible des photo-diodes dites rouge, verte et bleue est la même. Ce qui fait qu'une photo-diode donne une information sur une couleur spécifique c'est parce qu'il y a un filtre qui sélectionne la lumière que va recevoir cette photo-diode. Ce que montre le graphique ci-dessus est la combinaison de la sélectivité du filtre et de la sensibilité du capteur. Sans filtre la réponse du capteur est la suivante:  

 

Pour vous donner une idée de ce qui se fait ailleurs, consultez cette étude qui compare les réponses des capteurs photo utilisés dans les iPhone et les smartphones Android, et ce pdf de Argo corp qui présente les réponses d'une vingtaine de capteurs industriels. On y découvre que les capteurs Sony de la gamme ICX ont une bien meilleure réponse spectrale que ceux de la gamme IMX.

Autres caractéristiques

Dark noise                    2,9 e-
Saturation capacity         14036 e-
Dynamic range                71,8 dB
Signal-to-noise ratio        41,5 dB
Quantum efficiency @465 nm   58,4 %
                   @536 nm   62,8 %
                   @631 nm   47,2 %

(Source)

 

RASA (Schmidt Astrographe)

RASA = Rowe-Ackermann Schmidt Astrographe

Pour (bien) comprendre ce que R.A.S.A. signifie il faut le lire de droite à gauche

Astrographe 

L’Origin est un astrographe, pas un télescope, car il n’a pas d’oculaire et ne permet donc pas d'observation visuelle. Il ne permet de faire que des photographies. Cette absence d’oculaire n’est pas juste une simplification mais une impossibilité du système optique sur lequel il est basé : La chambre de Schmidt.

Schmidt

Il est impossible de faire de l’astronomie sans entendre parler de télescopes Schmidt-Cassegrain et, dans une moindre mesure, de la chambre de Schmidt.

Bernhard Schmidt (1879 - 1935)  était un physicien/opticien allemand fabricant de lentilles et de miroirs destinés aux astronomes amateurs, puis aux professionnels. A l'époque de Schmidt (les années 1920) les télescopes avaient une couverture de 1 ou 2° (comme l’Origin), ce qui rendait l’exploration systématique du ciel fastidieuse.

La première idée de Schmidt a été de remplacer le miroir parabolique utilisé jusqu’alors par un miroir sphérique concave (plus facile à construire) ce qui élimine les deux aberrations liées aux miroirs paraboliques : la coma sagittale, et l’astigmatisme(1) mais au prix de l’aberration sphérique. Et c’est là qu’en 1930, Schmidt a la seconde idée (de génie) : Installer une fine lentille asphérique (on dit aujourd’hui une lame de Schmidt) à l’entrée du tube pour corriger l’aberration sphérique. Le résultat est ce que l’on appelle une chambre de Schmidt puisque l’espace entre la lame et le miroir est clos. L’image se forme à  mi-chemin entre le miroir sphérique et la lame correctrice, donc dans la chambre de Schmidt, ce qui complique l'observation visuelle. Il faut soit mettre l’observateur dans la chambre (ce qui a été fait mais implique un diamètre de plusieurs mètres) soit y mettre un appareil photo. D’ailleurs les anglophones utilisent le terme Schmidt Camera (le mot anglais camera ne signifiant pas caméra mais appareil photo).

(1) Un miroir sphérique concave n'est pas strictement stigmatique, mais on considère qu'il l'est si tous les rayons incidents sont quasi perpendiculaires à la surface du miroir, ce qui est le cas pour un télescope. 

La représentation ci-contre de la lame de Schmidt, vue de profil, exagère énormément l'ondulation puisque le creux est de l'ordre de 10 μm (1 μm = 1 micromètre = 1 millième de millimètre).

La chambre de Schmidt est l'espace clos entre la lame de Schmidt et le miroir. 

Si R est le rayon de courbure du miroir sphérique concave, le plan focal est à R/2 à l'avant du miroir, et en principe on place la lame correctrice à la distance R du miroir c'est à dire que le centre de la lame et le centre de la sphère qui soustend le miroir sont confondus.

L'idée d'utiliser un miroir sphérique et de le corriger par une lame de Schmidt a été étendu aux télescopes existants disposants d'un oculaire. Ce qui a donné le Schmidt-Newton (oculaire sur le coté en haut du télescope) et surtout le Schmidt-Cassegrain (oculaire à l'arrière du télescope).

La courbure du plan focal est la même que celle du miroir. A l’époque des négatifs photographiques sur gélatine ce n’était pas dramatique. Mais aujourd’hui à l’ère des capteurs plats en silicium c’est un problème. Yrjö Väisälä avait proposé dés 1934 une solution pour aplanir le plan focal (mais avec des aberrations chromatiques).

Rowe-Ackerman 

Ce n'est qu'au début des années 2010 que, sous la houlette de Celestron, interviennent David Rowe puis  Mark Ackerman avec pour objectif de proposer une chambre de Schmidt (donc un astrographe) équipée d'un capteur pour le marcher des astronomes amateurs.
Contraintes:
- image plane
- capteur ccd à l’extérieur de la chambre 
- la lame de Schmidt doit utiliser la même chaîne de production que celle des Schmidt-Cassegrain produits par Celestron.
- A cause de la profondeur de champ extrêmement petite (quelques microns) 
-- garantir une mise au point ultra précise
-- garantir que le capteur est parfaitement perpendiculaire à l'axe optique 

TBC...

 

Identification de votre Origin

En mode "Connexion directe" un télescope Origin crée un réseau Wifi dont le SSID (Service Set IDentifier) est Origin-xxx. Où xxx varie d'un télescope Origin à l'autre.  Comment est déterminé cet identifiant ?

D'abord, pourquoi ne pas avoir tout simplement identifié ce réseau Wifi avec le SSID Origin, ou Celestron-Origin?

Et bien, dans le cas (improbable) où vous auriez plusieurs Origin chez vous il faudrait pouvoir distinguer leurs réseaux Wifi. Plus probable est le cas d'une rencontre d'astronomes où plusieurs télescopes Origin se retrouveraient à porté de Wifi l'un de l'autre.

En fait ces 3 digits sont les trois derniers caractères de l'adresse MAC (Media Access Control) de l'interface wifi. Toute interface réseau (Wifi, Ethernet, Bluetooth ...) a un identifiant (en théorie) unique au monde constitué de 12 digits hexadécimaux.(soit 48 bits ou encore 6 octets). Chaque digit pouvant prendre l'une de ces 16 valeurs: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F, avec trois digits on a 16 x 16 x 16 = 4096 identifiants uniques.

Donc si quatre heureux processeurs d'un Origin se rencontrent, il y a une chance sur 1000 qu'ils aient les trois mêmes digits.

Si vous sniffez le trafic réseau de votre Origin vous verrez l'adresse MAC de votre Origin dans  la partie "Ethernet II" de chaque paquet émis ou reçus pas votre Origin.

Si l'adresse MAC de l'interface Wifi de cotre Origin est  e4:5f:01:7d:5d:99 alors le SSID de son Wifi en mode direct sera Origin-D99

Notes: Les RaspberryPi on une interface Wifi et une interface Ethernet. Leurs adresses mac se suivent.
Exemple : Ethernet: e4:5f:01:7d:5d:98  -  Wifi: e4:5f:01:7d:5d:99

Premiers paquets UDP

Le smart télescope Celestron Origin a deux modes de connexion
Le mode « connexion directe » et le mode « réseau domestique ».

Mode Direct

Celestron a fait le choix de :

• Ne pas utiliser l’interface Ethernet du RasberryPi. L’application installée sur une tablette connectée au réseau local par une interface USB/Ethernet refuse de se connecter à l’Origin.
  
  
• Ne pas permettre de brancher un écran au RasberryPi, Le clavier c'est possible car les ports USB sont accessibles.

Ces choix rendent parfois l’utilisation de l’Origin compliquée et inefficace. C’est le cas de la procédure de première mise en route.

Comme l’accès à un réseau Wifi est contrôlé par un SSID (un identifiant, en général public) et une clé (secrète) et qu’il n’y a aucun moyen de les communiquer à l’Origin c’est lui qui va créer son propre réseau Wifi avec le SSID : Origin-xx Clé: 12345555 et il sera joignable sur ce réseau avec l’adresse IP 1.2.3.4

 

Dans cette situation l'anneau lumineux de l’Origin tourne dans le sens anti horaire.

 

Avec votre tablette vous avez alors deux options :

• Vous connecter au réseau Wifi de l’Origin et l’utiliser tel quel. C’est ce que l’on est supposé faire pendant une nuit d’observation en pleine campagne, loin du réseau domestique.
  
  
• Vous connecter au réseau Wifi de l’Origin et lui communiquer les informations concernant votre réseau domestique. Après quoi il utilisera ce réseau et les choses seront plus classiques mais toujours dépendante de la qualité de votre Wifi.

TOUT aurait était tellement plus simple et plus fiable en autorisant l’utilisation d’une connexion par câble Ethernet.

Mode réseau domestique

Quand il est en mode « réseau domestique »  l'anneau lumineux tourne dans le sens horaire.
 

En mode réseau domestique, la première chose que fait l’Origin est d’utiliser le protocole DHCP afin d’obtenir sa configuration IP. En général c’est le routeur (la box) qui répond aux requêtes DHCP et lui donne ; son IP, le masque de sous réseaux, l’adresse du routeur, l’adresse d’un ou deux résolveurs DNS

 

Puis, en simplifiant un peu, l’Origin va s’annoncer sur le réseau local en émettant régulièrement des trames UDP destinées au port 55555 de l'adresse IP 255.255.255.255.

• Le port 55555 (0xD903) est dans l’intervalle [0xC000 - 0xFFFF] attribué aux ports à usage privé. Il ne correspond donc à aucun standard (mais 5 est un chiffre fétiche chez Celestron).
   
• L’usage de l’adresse 255.255.255.255 est standardisée. Elle est utilisée pour effectuer un broadcast local. C’est à dire que les paquets qui ont cette adresse comme destination sont destinés à tout le monde. Pour ne pas noyer Internet avec ce type de paquets ils ne sont pas routés à l’extérieur du subnet où ils ont été émis. Dans le cas de l’Origin ces paquets contiennent le texte :
  
  « Identity:Origin-xxx Origin IP Address = 192.168.yyy.zzz »

Capture d'un paquet UDP broadcast - (Cliquez pour agrandir l'image)

 

Cela permet à un programme situé sur le même réseau local de guetter ces paquets UDP et ainsi de connaître le nom (Origin-xxx) et l’IP (192.168.yyy.zzz) de l’Origin. C’est ce que fait l’application qui s’exécute sur la tablette.

 

En fait les choses sont un peu plus compliquées car, en même temps qu'il broadcaste les paquets UDP décrits ci-dessus, l’Origin utilise aussi les protocoles suivants :

• mDNS (Multicat DNS) a destination de 244.0.0.251 UDP:5353.
   
• LLMNR (Link-local Multicast Name Resolution ) à destination de 224.0.0.252 UDP:5355.
   
• IGMPv2/v3 (Internet Group Management Protocol) à destination de 224.0.0.251 et 224.0.0.252. Comme ICMP, IGMP ne dépend ni de UDP ni de TCP et n’a donc pas la notion de port.

- LLMNR est une alternative à mDSN. Ces deux protocoles sont un remplacement/complément décentralisé du DNS classique.

- IGMP permet de gérer la distribution d’un flux de données sur un réseau IP v4 vers plusieurs destinataires (streaming).

Mais on n’a pas besoin de rentrer dans ces détails pour le moment.

Comme il s’agit d’un trafic broadcast il est très simple de l’analyser puisqu’il est destiné à tout le monde. Il suffit d’exécuter Wireshark ou tcpdump sur une machine connectée au même réseau que l’Origin.

Quand on analysera le trafic entre la tablette et l’Origin ce sera un peu plus compliqué


 

Scan du télescope Origin

Une des premières choses que l’on fait quand on a une boîte noire branchée sur un réseau c’est d’utiliser le logiciel Nmap pour analyser le comportement de cette boîte face aux requêtes venant du réseau. Contrairement à Wireshark ou tcpdump qui analysent passivement ce qui entre et sort de la boite noire, Nmap interroge cette boite et analyse ses réponses. On peut exécuter simultanément les deux !

Voici les résultats d’un scan de l'interface Wifi de l'Origin fait avec Nmap

PORT       STATE   SERVICE
20/tcp     closed  ftp-data
21/tcp     open    ftp
80/tcp     open    http
50000/tcp  closed  ibm-db2
50001/tcp  closed  unknown
50002/tcp  closed  iiimsf
50003/tcp  closed  unknown
50006/tcp  closed  unknown

MAC Address: E4:5F:01:7D:5D:99 (Raspberry Pi Trading)

Il y a donc 
- Un serveur FTP (ports 20-21/tcp)
- Un serveur HTTP (port 80/tcp)
- Les ports 5000x/tcp sont tous fermés et d’un usage pour l’instant inconnu.

Et une adresse MAC appartenant à un Raspberry Pi (ça on le savait déjà, c'est dans la doc!). 

A noter qu’il n’y a ni port 22/tcp, ni port 23/tcp Donc ni accès SSH, ni accès Telnet.
Cela laisse penser que le sav de Celestron boote sur une autre image...

On obtient la même chose si on scanne l’Origin via son l’interface Ethernet, sauf l’adresse MAC de cette interface qui a la valeur précédente et se termine donc par 5D:98.

On peu demander à Nmap de se connecter au serveur HTTP 
(on aurait pu pointer notre navigateur sur http://origin.local/ et obtenir les mêmes infos);

80/tcp    open   http     lighttpd
  Supported Methods: OPTIONS GET HEAD POST
  http-title: Origin Landing Page

On peut aussi demander à Nmap de se connecter au serveur FTP en mode anonyme :
(comme les navigateurs ne supportent plus le protocole FTP il faudrait installer un client FTP pour obtenir les mêmes infos)

ftp-anon: Anonymous FTP login allowed (FTP code 230)
  drwxrwsr-x  8 1000 1001 4096 Oct 27 21:04 Astrophotography
  drwxrwsr-x  5 1000 1001 4096 Jan 24 2024  Calibration

ftp-syst:
  STAT:
  FTP server status:
    Logged in as ftp
    TYPE: ASCII
    No session bandwidth limit
    Session timeout in seconds is 300
    Control connection is plain text
    Data connections will be plain text
    At session startup, client count was 3
    vsFTPd 3.0.5 - secure, fast, stable
  End of status

L’accès via FTP en mode anonyme est donc possible. On voit qu'il y a deux répertoires:

• Astrophotography
• Calibration 

On étudiera ça plus tard. 

En résumé de ce premier scan du télescope Origin on peu dire que l'on a deux services actifs :

• HTTP 80/tcp        géré par lighttpd (version inconnue)

• FTP 20-21/tcp      géré par  vsFTPd 3.0.5 (qui date de 2021)