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Modificación para larga exposición de la Philips SPC900NC

Introducción

Este texto muestra como modifiqué mi cámara web para un mejor uso astronómico. No se trata de un trabajo original, sino que está basado en lo publicado por muchas personas, pero espero que añadir mi punto de vista y el hecho de estar en castellano pueda ayudar a introducirte a las posibilidades que ofrecen las cámaras web para astronomía.

Las cámaras web -esas que se usan para videoconferencia- acopladas a un telescopio permiten obtener imágenes excelentes de objetos brillantes, en especial los planetas, el Sol (con los filtros adecuados) y la Luna. En este sentido, yo destacaría al inglés Damian Peach y a Jesús R. Sánchez, en el ámbito nacional. También permite, si puedes controlar la montura del telescopio desde el ordenador, realizar autoguiado y, por tanto fotografía astronómica de larga exposición.

Las cámaras web están pensadas para sacar vídeos en los que cada fotograma tiene un tiempo de exposición muy corto, del orden de 1/25 seg. como máximo. Por eso, en principio sólo sirven para objetos brillantes que puedan ser captados con ese tiempo de exposición. Hasta cierto punto es una ventaja, por que en un vídeo de dos minutos, a 10 fotogramas por segundo, hay 1200 fotogramas distintos que, seleccionando los mejores y promediando, permite obtener resultados de una altísima resolución.

Si ya tienes una cámara web, puedes ver en esta página qué tal se adecua para el uso astronómico. En general, las que tienen detector de tipo CCD, más caras, son más apropiadas que las CMOS. La QuickCam fue la pionera, pero fue desbancada por la Philips Toucam. Si no tienes una cámara web y piensas comprar una -espero que esta lectura te anime a hacerlo- te recomiendo el nuevo modelo de Philips SPC900NC que sustituye a la Toucam Pro II. El motivo es, como iremos viendo, que nunca había sido tan fácil efectuar la modificación como con este modelo.

Modificaciones.

La modificación de una cámara web consiste en alterar el circuito eléctrico interno de forma que nos permita realizar exposiciones más largas, de varios segundos y, por consiguiente, captar objetos mucho más débiles. El pionero en estos temas respecto a los modelos de Philips fue Steve Chambers. A lo largo del tiempo ha ido proponiendo distintas mejoras que se suelen denominar con sus siglas y un número de versión.

• SC1. Es la modificación más básica, sobre la que trata este artículo.
• SC2. Permite reducir el ruido que genera en la imagen un componente de la electrónica llamado amplificador operacional (OP-AMP). Este componente se sitúa a la salida del registro de lectura del detector, y su efecto se traduce en un resplandor en la esquina inferior izquierda de la imagen. En la SC1, a partir de unos 30 segundos de exposición este resplandor comienza a arruinar las imágenes, con esta modificación es más fácil obtener imágenes con tiempos de varios minutos.
• SC1.5. La SC2 también incluye la posibilidad de leer dos exposiciones distintas en las líneas pares o impares del detector, para poder hacer autoguiado mientras se expone, pero la gente no suele implementarla, con lo que la modificación se queda en la versión SC1.5.
• SC3. Consiste en reemplazar el detector original de la cámara (un Sony ICX098) por su versión en blanco y negro. A costa de perder el color directo, se gana en sensibilidad, lo que permite registrar más luz en menos tiempo. Para conseguir el color será necesario tener filtros R, G, B y hacer tricromía.
• SC4. En este caso se sustituye el detector por una versión más grande y sensible (ICX424). Esto supone más campo y luminosidad. Hay que tener en cuenta, que al ser tan pequeño el detector de la webcam, cuesta mucho trabajo meter un objeto dentro, por lo que es deseable aumentar el campo reduciendo la focal o aumentando el tamaño del detector.
• SC5. La próxima propuesta de Steve Chambers es una placa de circuito electrónico con todas las modificaciones listas, de forma que todo sea más sencillo para quien no sepa de electrónica. Por ahora el tema parece depender de la empresa que tiene la licencia para hacer versiones comerciales de las modificaciones de Steve.

Además, existen modificaciones del firmware (los programas que van dentro de la cámara) para ponerla en modo RAW, que permiten mejorar la calidad de imagen sin tocar un tornillo.

Finalmente, siempre es posible alojar la cámara en una nueva carcasa y añadir algún sistema de refrigeración para evitar el ruido térmico y otras mejoras que consiguen aproximar las prestaciones a las de cámaras CCD astronómicas comerciales de precio prohibitivo. Este es el motivo principal para abordar la modificación de una cámara web, junto con el deseo de hacer las cosas por uno mismo. Ahora es el momento de que te des un salto por la web de Steve para ver en detalle en qué consiste la modificación SC1, eso sí, no te olvides de regresar.

¿Qué hace falta?

La cámara se puede conseguir en tiendas de informática o en Internet por unos 90€. También sera necesario un adaptador para acoplarla al telescopio que cuesta unos 30€. Lo puedes comprar en tu tienda de astronomía más cercana, o si no aquí, concretamente el modelo W900NC-F.

Para la modificación son necesarios unos pocos componentes electrónicos que cuestan unos 10€ y se consiguen en tiendas de electrónica.

• 1 m. de cable de "grapinar", un cable de diámetro muy fino.
• 1 Circuito integrado 4011 (en cualquiera de sus variantes).
• 1 Resistencia 10 Kohm 1/4 W.
• 1 Cable tipo audio mono (hilo y malla) de 2 metros.
• 1 Conector paralelo DB25 macho con su correspondiente carcasa.

También necesitarás estaño y un soldador de 30W con punta fina, una esponja mojada para limpiar el soldador, malla de desoldar por si te equivocas en algo, alicates de punta fina, cutter pequeño, destornilladores, pelacables, pulsera antiestática y unas soporte para sujetar el circuito mientras sueldas.

¿Qué tripas hay que tocar?

Antes de seguir adelante conviene tener un poco más claro los retoques que vamos a hacer en la cámara. Como habrás visto en la web de la modificación SC1 de Steve Chambers, el detector CCD de la cámara es controlado a través de un circuito integrado que se llama NEC PD16510. La modificación consiste en interceptar algunas de las señales de este integrado y controlarlas mediante el puerto paralelo del ordenador, concretamente se actúa sobre las dos patas número 8 y 13 (están conectadas entre sí) y la 10. De esta forma se consigue engañar a la cámara para que tome un sólo fotograma de varios segundos en vez de un vídeo.

En la Toucam habría que levantar físicamente las patas del D16510 y por cada una se pasa a tener dos cables, uno identificado por "pin", que viene de la pata del chip, y otro por "pad" que viene del sitio donde estaba conectada esta pata en la placa. En la SPC900NC, nos aprovechamos del hecho de que está dividida en dos placas aparte unidas por un conector por el que pasan varias líneas del circuito. Los cuatro cables que necesitamos se sueldan a los conectores de las dos placas, una operación muchísimo más sencilla de realizar que con los modelos anteriores.

Además hay que sacar otros dos cables del conector USB, uno para 5V y otro para tierra. Estos seis cables van a un circuito con el que controlaremos las señales. De éste salen dos cables hacia el puerto paralelo del ordenador, uno con tierra y el otro con una señal de datos (que llamaremos LX por Long eXposure). A propósito, el control de esta señal LX es llevado a cabo por el programa que utilicemos para capturar imágenes. Este programa tiene que dar soporte a cámaras web modificadas, por fortuna hay muchos.

¿Cómo abrir la carcasa?

Hay que hacer una advertencia: desde que abras la cámara debes contar con el hecho de que ya no será válida la garantía del fabricante. Además, debes ser consciente de que existe cierto riesgo de causarle daños irreparables a la cámara. El autor de este texto y el sitio donde se aloja declinan cualquier responsabilidad. Una vez realizados los preceptivos avisos legales, decir que teniendo un mínimo cuidado, los riesgos son muy bajos.

Ahora tendrás que darte un salto por la web de M.M.J. Meijer. Es la primera persona, hasta donde yo sé, que describió como aplicar la modificación SC1 a éste modelo de Philips y como abrirla. Presta atención a las fotos, porque yo no saqué ninguna antes de la modificación, las que tengo muestran el proceso de abrir la carcasa pero con la modificación ya realizada. También puedes ver más detalles de como desmontar el objetivo aquí.

Teniendo en cuenta todo esto, busca un sitio limpio y luminoso para hacer el trabajo y vamos al tajo.

Este es el aspecto general de la cámara. El primer paso será quitar el extraño pie multifunción que sirve para apoyar la cámara en horizontal o contra un monitor plano. Nunca más lo volverás a necesitar, pero siempre conviene que lo guardes.

Para quitar el objetivo, gira el anillo de enfoque hacia la izquierda para desenroscarlo todo lo posible. Quita el anillo de enfoque simplemente cogiéndolo con los dedos por su borde y tirando hacia fuera (no es tan sólido como parece). Termina de quitar el objetivo desenroscándolo y guárdalo en un recipiente que lo libre del polvo.

Ahora hay que quitar las dos tapas grises laterales. Antes conviene que tengas en cuenta, para cuando vuelvas a montarlas, cual va a un lado y cual va a otro, pues son intercambiables y te puede pasar como a mi, que luego no sepas la posición correcta. En cualquier caso, no es muy importante, pues no vamos a necesitar emplear los botones que identifican los iconos. Las tapas están pegadas y salen con cierta facilidad haciendo un poco de palanca con el cutter. Si te es posible, hay que intentar no cortar con el cutter tres pequeños soportes que ayudan a fijar la cámara y que se ven mejor en la imagen siguiente.

Las tapas están fijadas con un pegamento gomoso que se debe eliminar con los dedos. Si no hemos cortado los soportes, a pesar de no tener pegamento, las tapas podrán volver a colocarse y deberían mantenerse en su posición. Si cortas alguno, como me pasó a mi, la tapa se caerá y te verás forzado a volver a pegarlas. En ese caso, la cinta adhesiva de doble cara es una buena opción.

Las dos partes de la carcasa están sujetas mediante cuatro grapas. Se abren haciendo palanca con un destornillador. No hagas mucha presión hacia adentro por que romperás la grapa.

Separar las dos partes de la carcasa exterior. La del objetivo se retira por completo, la del cable no.

La carcasa interior tiene dos bandas de goma. Retíralas sin romperlas.

Separa las dos partes de la carcasa interior. Están unidas por cuatro grapas similares a las anteriores. El vínculo de las placas de circuito con la parte trasera de la carcasa es el conector del cable USB. Se despega tirando del pequeño conector blanco, ¡no de los cables!

Por último, la parte delantera de la carcasa está fijada por dos pequeños tornillos internos.

A partir de ahora, haz clic en las imágenes para verlas más grandes.

Las dos placas están unidas por dos tornillos más grandes. Una vez quitados, se separa el conector.

Soldando

Para la misma modificación, la SC1, existen distintas opciones a la hora de implementarla. La que se explica en la página de Meijier es una de las más utilizadas, basada en un integrado 4066, pero por ahí se pueden ver, para conseguir lo mismo, circuitos basados en otros integrados distintos. El propio Steve Chambers usó originalmente un 7400 en la SC1 y un 4066 en la SC2.

Yo utilicé otro circuito distinto, el de Etiene Boundelle. Utiliza un integrado 4011 (que contiene cuatro puertas lógicas NAND) y tiene la ventaja de que detecta automáticamente cuando se va a tomar una imagen de larga exposición o cuando se va a usar la cámara en modo de vídeo normal (como si no se le hubiera hecho la modificación). De esta forma evitamos tener que añadir un interruptor para realizar este control manualmente, y el consiguiente ahorro de espacio es importante si queremos volver a montar todo en la carcasa original.

Antes de meter mano a la obra, ten en cuenta que se trata de circuitos delicados. Al soldar, procura no prologar el calor de la soldadura más tiempo del necesario. Existe riesgo de que CCD se dañe por la electricidad estática del cuerpo, procura coger la placa por los bordes, sin tocar con los dedos los componentes o soldaduras y Es conveniente “enchufarse a tierra” con una pulsera antiestática para descargar la electricidad estática del cuerpo. Si no dispones de ella, improvisa tocando algo que esté conectado a tierra, como la carcasa del ordenador, por ejemplo. Si es la primera vez que haces una soldadura, práctica antes, aquí tienes un curso.

Ahora comienza la modificación en sí. Los cortes en las líneas se realizan doblando (más adelante) dos patas del conector macho. Para que el conector pueda volver a cerrar correctamente, es necesario hacer unas muescas en el conector hembra, en las posiciones 2º y 4ª (ver foto). Lo ideal sería usar un minitaladro, pero como no tengo, no me lo pensé dos veces e hice las muescas con la punta del soldador caliente (no es lo mejor para su salud, pero un repasito con la esponja húmeda la dejará como nueva). Cuidado con los gases, no te pongas demasiado contento.

Suelda cuatro cables de grapinar, de unos 6 cm de largo, en las patas 2º y 4ª desde el borde (ver foto) de los dos conectores. Una vez hechas las soldaduras, dobla las patas correspondientes del conector macho (si lo haces antes queda menos sitio para soldar con comodidad).

Suelda ahora los dos cables que van a +5V y tierra en la parte de atrás del conector USB (de color beige). De las seis patas del conector, +5V es la del extremo derecho (ver foto) y tierra las tres del extremo izquierdo. Con esto ya hemos terminado de soldar en las placas de la webcam, así que ya puedes volver a atornillarlas.

Ahora hay que montar el circuito "supletorio" que es muy sencillo. Vamos a usar la técnica que en los textos en inglés llaman "dead bug", es decir, bicho muerto. Hace referencia a que se pone el circuito patas arriba y se cablea sobre las mismas. El 4011 tiene una muesca para indicar donde se empiezan a contar las patas. Es muy importante que pongas esa muesca hacia arriba y tengas en cuenta que en el esquema las patas están numeradas con el integrado visto desde el lado de las patas.

Suelda primero la resistencia entre las patas 6 y 14, luego, con unos trocitos de cable, los puentes con entre las patas 3-5, 6-13 y 10-12. Suelda también dos trocitos de cable de grapinar en las patas 6 y 7, para unirlos más tarde al cable que viene desde el puerto paralelo.

Ahora se conecta el 4011 con la webcam. Es importante tener claro quién es quién, así que mira la imagen. Los cables "pin" son los que vienen de la placa donde está el detector y "pad" de la otra. Los 8/13 son los dos más cercanos al extremo del conector y los 10 los otros dos. Suelda el hilo pad8 de la CCD a las patas 1-2 del 4011 (dobla las patas para hacer el puente), el pin8/13 a la pata 4, tierra a la pata 7, pad10 a las patas 8 y 9 (puente), el pin10 a la pata 11 y +5Vcc a la pata 14.

Con esto el circuito supletorio queda terminado y ya lo puedes fijar sobre el chip grande de la placa trasera. Lo puedes pegar con cinta de doble cara, pegamento térmico o con un puntito de cianocrilato.

Este puede ser un buen momento para matar el LED para evitar posibles deslumbramientos en tomas de larga exposición. Está marcado como D8 en la placa del detector. Haz fuerza con un destornillador plano hasta que salte, pero siempre en dirección hacia fuera de la placa, no vaya a ser que cortes una pista.

Ahora habrá que hacer un agujero en la parte trasera de la carcasa de la cámara y pasar el cable que va hacia el puerto paralelo. Para evitar que se salga hazle un nudo. En principio vale cualquier cable con dos hilos, pero creo que es recomendable el apantallado que se usa para audio mono. Debes tener tanto cable como la longitud del cable original de la cámara y medio metro adicional. Del lado del PC se conecta el cable a un conector DB25 macho (el que entra en el puerto paralelo del ordenador). Normalmente suelen tener la numeración inscrita. El hilo interno del cable va a la pata 2 (señal LX) y la malla externa a tierra (te sirve igual cualquier pata entre la 18 y 25).

En el lado de la cámara, antes de soldar asegúrate de haber pasado el cable por dentro de la carcasa gris. Hay que unir la línea de datos LX al cable que sale de la pata 6 del 4011 y la tierra a la pata 7. Suelda los cables y envuélvelos con cinta aislante para evitar contactos.

Ya hemos terminado, comprueba todas las conexiones para que no haya contactos indeseados y volver a cerrar la cámara siguiendo los pasos anteriores al revés.

Resultados

Aunque esta imagen es bastante poca cosa, aquí está como comprobación de que la cámara funciona. Es un promedio de 120 imágenes de 3 segundos cada una en un cielo urbano con mucha contaminación lumínica. El seguimiento de mi montura es una porquería, por que no admite mucho más tiempo de exposición.

Créditos

En lo que respecta a la información original contenida en las páginas de www.pmdo.com es Copyright de Steve Chambers. Está prohibido su uso con ánimo de lucro. Cualquier beneficio derivado de la realización de esta modificación o de la venta de una cámara modificada debe ser donado (al menos parte) a Médicos sin Fronteras. Esto es una traducción orientativa, para más información debe consultarse la nota original.

El texto y las fotos de este artículo tiene licencia Reconocimiento-NoComercial-CompartirIgual 2.5 de Creative Commons (cc) Javier Sánchez Portero, 2006 (email: javiersanp at gmail dot com).