CCD alle porte del nuovo millennio (Prima parte)
	di Paolo Grassi (Associazione Astrofili Trentini)

Con l'avvento della tecnologia digitale e la massifica-zione dell'elettronica, si è potuto sicuramente notare come anche il campo riguardante l'astronomia, abbia abbracciato l'utilizzo di computer e strumentazioni sempre più evoluti. Mi riferisco in questo caso semplicemente al telescopio LX200 della Meade, in possesso già da alcuni anni da molteplici associazioni (utilizzato con profitto anche dall'AAT), oppure dalla stretta concorrenza della Celestron (il classico C8) che mette a disposizione dell'astrofilo evoluto, una versione computerizzata analoga a quella della Meade denominata Nexstar 8. Chiaramente sul mercato si trovano ben altre proposte riguardanti ditte più prestigiose, che però risultano svantaggiose dal punto di vista economico a causa di cifre "astronomiche" riscontrate nel prezzo di acquisto (vedi AstroPhisics, JMI, Takahashi).

Ho iniziato questa sequenza introduttiva, per poter specificare meglio che l'acquisto di un telescopio completamente automatizzato, è fattore determinante per l'utilizzo di un CCD, sia per la precisione e affidabilità richiesta, sia per la semplicità di utilizzo mediante l'interfacciabilità ad un computer (tramite semplice porta seriale RS232). Infatti la sola possibilità dell'utilizzo remoto in aggiunta ad un CCD, comporta già la possibilità di poter usufruire con profitto della possibilità di una "stazione di osservazione" astronomica analoga alla control room di un grande osservatorio, completamente automatizzata (priva del diretto controllo umano).

Figura 1 - Questa figura rende abbastanza l'idea di quanto sia grande in realtà l'area di un CCD fotosensibile. Il CCD mostrato è in questo caso quello della Texas Instruments.

Alcuni di voi sicuramente si chiederanno cosa sia un CCD, ebbene il CCD può essere paragonato ad una macchina fotografica, in questo caso digitale, ideale per l'utilizzo in astronomia (figura 1). CCD cono anche le iniziali di Charge-Coupled-Device, ovvero dispositivo ad accoppiamento di carica, nato presso i laboratori Bell di Murray Hill, New Jersey, conosciuto già come luogo di nascita del transistor.

Il CCD è un dispositivo caratterizzato da una matrice di microscopiche regioni di forma quadrata o rettangolare, disposte a scacchiera sulla superficie di un cristallo di silicio, opportunamente trattato e integrato in un dispositivo comunemente denominato microchip (figura 2). Tali regioni, molto sensibili alla luce, denominate pixel (picture elements), sono ricavate direttamente nel silicio, disposte come mattonelle di un pavimento, troppo piccole per essere osservabili ad occhio nudo.

Figura 2 - Disegno di un microchip (molto ingrandito).

La camera CCD

Per comprendere meglio il funzionamento di una camera CCD, possiamo grosso modo compararne l'aspetto ad una semplice macchina fotografica.

In una macchina fotografica tradizionale la superficie del film esposta alla luce giace su un piano posto di fronte all'otturatore. Se noi sostituiamo il film con un sensore CCD ed equipaggiamo la nostra macchina con un'elettronica e un software capaci di registrare e riprodurre immagini digitali, otteniamo una camera CCD. La superficie del sensore è paragonabile a quella di un'emulsione fotografica: alla matrice dei pixel corrisponde la grana dell'emulsione. La differenza più macroscopica è la dimensione del sensore generalmente utilizzato nelle camere CCD non professionali: pochi millimetri quadrati rispetto agli 864 del campo di una 24x36. A questo punto sembra ci sia un estremo vantaggio a favore della emulsione fotografica, ma non è così come vedremo più avanti.

La superficie di un'emulsione fotografica, vista attraverso un microscopio, è composta di grani le cui dimensioni sono generalmente più grandi di quelle del pixel di un CCD; con un'osservazione più attenta, ci si accorge che la grana del film presenta elementi di dimensioni variabili, distribuiti in modo irregolare e non uniforme. Se confrontiamo la grana di un'emulsione fotografica con i pixel del CCD possiamo notare che questi sono tutti identici e sono disposti con assoluta regolarità lungo le colonne e le righe di una matrice quadrata o rettangolare.

Muniti a questo punto di camera CCD e successivo collegamento ad un telescopio o anche più semplicemente ad un obiettivo fotografico tradizionale, possiamo tentare a riprendere una immagine di un oggetto astronomico. La luce, composta a sua volta dai singoli fotoni proveniente dall'oggetto inquadrato, viene catturata dalla superficie del sensore e ciascun pixel raccoglierà una quantità proporzionale alla durata dell'esposizione e all'intensità del flusso luminoso incidente.

Durante l'esposizione (processo di integrazione delle cariche) andrà formandosi sulla superficie del sensore una precisa mappa elettronica dell'immagine dell'oggetto astronomico. Il processo di integrazione è generalmente lineare ed esente dal cosiddetto difetto di reciprocità presente invece nelle emulsioni fotografiche. In poche parole una immagine ripresa da una camera CCD, sarà catturata e successivamente trasformata in elettroni, con il conseguente aumento di una maggiore sensibilità del CCD rispetto all'emulsione fotografica. Infatti un CCD raccoglie molta più luce e quindi molti più fotoni, e possiede un'efficienza enormemente superiore rispetto a quella delle normali pellicole chimiche. Questo incremento di sensibilità prende anche il nome di efficienza quantica, ed è proprio questa una delle caratteristiche fondamentali prettamente determinanti, in quanto grazie all'ottima risposta quantica e il suo ampio spettro, e la sua straordinaria sensibilità, una immagine CCD è paragonabile a quella di una pellicola fotografica da ben 20000 ISO (circa una sensibilità almeno 10 volte superiore rispetto alla più "veloce" pellicola fotografica tradizionale). Con i dati in nostro possesso possiamo capire che a parità di strumento, una camera digitale cattura circa il 40-50% dei fotoni provenienti direttamente dallo spazio, mentre le comuni macchine fotografiche si fermano a circa il 3-5%. Quindi con pochi minuti di esposizione è possibile arrivare teoricamente ad una magnitudine pari alla 17^-18^ (teoricamente in quanto si deve valutare il seeing e un probabile inquinamento luminoso).

Figura 3 - Dopo la chiusura dell'otturatore (1) il chip, che ha registrato nei singoli pixel le variazioni di carica dovute all' impatto dei fotoni, è pronto a trasmettere l'informazione (i pixel sono colorati in verde; le stelline rosse rappresentano le cariche generate dai fotoni). L'informazione contenuta nella prima riga di pixel si sposta simultaneamente nel registro seriale (2) dove viene raccolta ed inviata sequenzialmente all'uscita (3, 4). Quando il registro seriale si svuota, viene caricata la seconda riga di pixel e il processo riparte dal punto 2. Una volta che tutti i registri sono vuoti, l'otturatore può essere riaperto per cominciare la registrazione di una nuova immagine.

Al termine dell'esposizione l'immagine astronomica "impressa" nel substrato del sensore sarà poi trasmessa sotto forma di segnale elettrico ad un circuito integrato, che ne effettuerà il campionamento, ovvero la digitalizzazione, la quale determina mediante un processo fondamentale, la trasformazione del segnale dell'immagine in una ordinata sequenza numerica di bit. L'immagine digitale così ottenuta che prende il nome di light frame sarà quindi trasferita in un computer e visualizzata sul monitor.

Con successive elaborazioni manuali o automatiche, si potrà poi modificare a proprio piacimento l'immagine originale (il cosiddetto frame), generando una quantità ed una qualità di informazioni decisamente superiori a quelle ottenibili con la fotografia tradizionale.

Siccome non intendo annoiare il lettore con informazioni prettamente tecniche, riguardanti le caratteristiche fondamentali per l'utilizzo e la conoscenza di un CCD, ho pensato di raggruppare tutte le voci inerenti a tale argomento in un comodo vademecum, disponibile per una facile ed intuitiva consultazione.

Chiaramente, per ulteriori informazioni consiglio caldamente la lettura di un qualsiasi manuale CCD o in alternativa la consultazione di argomenti della stampa specializzata.

Chip (sensore).

Componente elettronico sensibile alla luce. Quando la luce (composta da singoli fotoni) colpisce la superficie del CCD, vengono liberati degli elettroni che si accumulano nei singoli elementi del CCD (i pixel). Un CCD consiste normalmente di migliaia di pixels. Più è brillante il soggetto verso cui il soggetto è puntato, più fotoni lo colpiscono, e quindi più elettroni si accumulano in ciascun pixel.

Tipologia del CCD.

I CCD maggiormente utilizzati nelle camere CCD non professionali sono gli Array CCD, caratterizzati da una schiera ordinata di foto elementi generalmente disposti per righe e colonne volti a formare una matrice di m x n pixel, organizzata in maniera diversa in funzione dello schema di trasferimento di carica adottato: Interline Transfer, Frame Transfer o Full Frame Transfer.

Pixel.

Singoli elettroni liberati si accumulano nei singoli elementi del CCD: i pixels.

Dimensioni del chip.

Più grande è la superficie sensibile, più grande è il campo inquadrabile.

Dimensioni area attiva.

Area che effettivamente interessa l'accumulo di elettroni.

Dimensioni dei pixels.

Più piccoli sono i pixels, migliore sarà la risoluzione dell'immagine.

Risoluzione.

Risoluzione di un'immagine ripresa dal CCD, espressa in pixels.

Risoluzione usata.

Con questo termine si indica quando una immagine si preferisce registrarla in binning, inteso come dimensione finale in pixels; ad esempio una immagine in binning 1x1 risulta un'immagine con a massima dimensione effettuabile con un CCD, immagini in 2x2 – 3x3 risulteranno più piccole e quindi più definite.

Capacità di carica (full well capacity).

Numero di elettroni che possono accumularsi in un singolo pixel prima che questo si saturi.

Fill factor (fattore di riempimento).

Percentuale della superficie CCD effettivamente sensibile alla luce.

Efficienza quantica (DQE).

Quanti fotoni che colpiscono il CCD danno effettivamente un elettrone.

Risposta spettrale.

Si riferisce alla curva di risposta ai filtri colore nel diagramma delle sensibilità spettrali del sensore.

Rumore termico.

Inteso come range dinamico in ogni pixel vengono accumulati anche degli elettroni "indesiderati", ossia che non sono il risultato di luce che abbia colpito il CCD. Alcuni di questi elettroni derivano dal rumore termico, un effetto casuale dovuto all'interazione del calore con il materiale di cui è fatto il sensore.

Readout noise.

Il rumore di lettura è indipendente dal tempo di posa, e disturba la ripresa di immagini di soggetti molto deboli. Mentre il rumore di lettura è indipendente dal tempo di posa, molte altre sorgenti di disturbo crescono con la radice quadrata del tempo di posa (ovvero raddoppiano se il tempo di posa quadruplica). Invece gli elettroni frutto della luce incidente, ovvero quelli "desiderabili", che concorrono alla creazione dell'immagine, crescono direttamente con il tempo di posa (cioè raddoppiano al raddoppiare della posa).

Dark current.

La carica elettrica di questi elettroni non voluti (che si generano nel pixel, anche se questo è nella più totale oscurità) è chiamata corrente di buio. L'effetto della corrente di buio è di limitare la durata pratica massima di una posa CCD: dopo molto tempo infatti, la corrente di buio saturerebbe del tutto il pixel, e non vi si potrebbero più accumulare elettroni generati dalla luce incidente. Perciò più bassa è la corrente di buio, più lunghe sono le pose eseguibili con un determinato CCD.

Convertitore A/D 8,12,16 bit.

Permettono risultati sempre più soddisfacenti e con una buona "morbidezza d'immagine".

• Un convertitore a 8 bit, permette 2⁸, ossia 256 toni di grigio tra il bianco e il nero.
• Un convertitore a 12 bit, permette 2¹², ossia 4096 toni di grigio.
• Un convertitore a 16 bit, permette 2¹⁶, ossia 65536 toni di grigio.

Alimentazione.

Alimentazione della camera CCD; solitamente 220/ 240VAC e 12VA, o 12VDC.

Raffreddamento termoelettrico.

La corrente di buio viene ridotta abbassando la temperatura a cui lavora il chip. Nei CCD la corrente di buio è sempre indicata ad una certa temperatura; per esempio in un CCD con una corrente di buio "minore di 8elettroni ogni 5 secondi, a –5°C". Per raggiungere temperature così basse si richiede un sistema di raffreddamento. Il raffreddamento termoelettrico, uno dei più comuni metodi per portare a bassa temperatura i chip, sfrutta elementi Peltier. Questi sono giunzioni di metalli differenti, con interposto del materiale semiconduttore, facendo fluire corrente tra i 2 metalli, la giunzione si raffredda (effetto Peltier). Sui sistemi più sofisticati, il raffreddamento è a 2 stadi, con 2 elementi Peltier in cascata e di una ventola.

Correzione del dark frame.

Ripresa di una immagine CCD (frame) dello stesso tempo di posa di un'immagine "vera" (light-frame), ma con il telescopio tappato, così che non vi sia segnale generato dalla luce. In questo modo è possibile misurare la corrente di buio e sottrarla poi quando si riprende una immagine reale. Questo procedimento permette quasi di annullare l'effetto della corrente di buio su di un frame, ma non aggira il problema che con pose molto lunghe il CCD finirebbe con il saturarsi comunque di corrente di buio. L'unica soluzione a questo ostacolo è di utilizzare chip a basso rumore termico.

Correzione del flat field.

Per motivi legati al metodo di fabbricazione del chip, non tutti i pixel del CCD hanno la stessa sensibilità; vi sono minime variazioni da un pixel all'altro. Qualunque sistema ottico produce un piccolo effetto di vignet-tatura. In totale, da un punto all'altro del chip ci possono essere differenze di sensibilità dal 5% al 10%. Per minimizzare questo effetto, i CCD prevedono un'opportuna procedura, che permette di "normalizzare" l'immagine ripresa con un'immagine standard, detta appunto flat field, annullandone definitivamente il disturbo.

Effetto blooming.

Le immagini CCD di oggetti molto brillanti, come una stella di prima magnitudine, mostrano talvolta l'effetto del blooming. Questo effetto si traduce in una "striscia" luminosa che parte dai pixels più brillanti, simile ai "baffi" di luce che si vedono in fotografie astronomiche riprese con telescopi Newton. E dovuto al "travaso" di elettroni in eccesso, dai pixels saturati verso quelli adiacenti: CCD sofisticati comprendono circuiteria antiblooming, che riduce di molto l'incidenza di questo effetto, e lo annulla nella maggior parte dei casi.

Interfaccia PC.

Seriale RS232: utilizzata per trasferire dati dai chip più piccoli.
Parallela: utilizzata per trasferire dati dai CCD di prima generazione.
Scasi: permette di trasferire dati dai grandi chip in tempi enormemente più brevi che non quelli richiesti dalla trasmissione seriale o parallela utilizzata sugli altri tipi di CCD.

Otturatore per pose brevi.

In alcuni CCD i dati sono trasferiti dal chip al computer senza che un otturatore impedisca alla luce di colpire il chip anche durante il trasferimento, con il risultato che le immagini di soggetti brillanti come la Luna o i pianeti, vengano completamente "bruciate". Si può risolvere il problema con due sistemi diversi. Il primo utilizza una memoria di trasferimento che "sposta" l'immagine quasi istantaneamente dall'area sensibile del chip ad una zona inattiva alla luce, da cui viene trasferita poi al computer "con calma". Si crea quindi un efficace otturatore elettronico, senza parti mobili, capace di pose brevissime, anche di soli 4 millisecondi. I modelli più sofisticati invece, dispongono di un più classico otturatore elettromeccanico, capace di scendere sino a un centesimo di secondo, un tempo abbastanza breve per "congelare" la turbolenza atmosferica (seeing).

Funzione autoguida.

I CCD possono essere anche utilizzati per "guidare" una fotografia ripresa con pellicola chimica, oppure possono guidare mentre riprendono un'immagine. Questo metodo, detto shift and combine (sposta e accumula) consiste in brevi pose, per esempio di 30 sec. intervallate da un breve tempo in cui il CCD controlla l'inseguimento del telescopio ed esegue le eventuali correzioni. Le varie immagini vengono poi "sommate" e concorrono a creare l'immagine finale.

Utilizzo colori reali.

È possibile effettuare riprese a colori con un CCD tramite una ruota portafiltri in cui si riprende l'oggetto nelle 3 pose RGB o meglio ancora in quadricromia "LRGB" e esacromia "LCRGBY". I moderni CCD a colori usano il sistema "single shot colour"; una matrice di filtri di colore Giallo, Magenta, Cyan e Verde, la quale è disposta a mosaico sulla superficie del sensore in modo tale che l'informazione relativa al colore possa essere registrata e successivamente letta senza perdita di risoluzione e di tonalità cromatica.

Funzione autofocus.

Una messa a fuoco rapida e precisa è forse il problema più grave del CCD, se il telescopio è dotato di un fuocheggiatore elettrico, con apposita opzione via Software il CCD mette a fuoco automaticamente, con la massima precisione, in un paio di minuti.

Funzione autocentraggio.

Mediante opzione via Software un telescopio dotato di moto automatico, porta il soggetto che si trova magari appena nel campo del CCD, al centro del chip.

Funzione automosaico.

Tramite Software, il modo automosaico muove automaticamente il telescopio per riprendere le immagini necessarie a ricoprire una zona del cielo arbitrariamente vasta, scelta dall'operatore attorno a quella inquadrata dal primo frame. Successivamente si effettuerà con il computer il montaggio dell'immagine finale.

Fine prima parte. Continua sul prossimo numero...

Figura 4 - Esempio di disturbo causato dal "rumore" del CCD a differenti tempi di esposizione (1-10-100-1000 sec.), in cui viene mostrata la correzione. Il frame, rappresenta in questo caso la ripresa della galassia spirale M100.

Figura 5 - L'immagine soprastante rappresenta M100, effettuata però da una lastra fotografica del Palomar. Questo dimostra il salto di qualità della tecnologia ai giorni nostri.