I sensori CCD: struttura e architettura - Specializzati in Telescopi, Binocoli, Cannocchiali, Accessori per astronomia.

Le immagini che infatti fornisce una camera CCD sono digitali e come tali necessitano di un computer per essere acquisite ed elaboratate, a differenza di quelle tradizionali che si ottengono per impressione di una pellicola fotografica.

Messo a punto per la prima volta nel 1969 dagli statunitensi Willard Boyle e George Smith nei laboratori della Bell Telephone, questo dispositivo ha trovato un larghissimo utilizzo nell’industria e nell’elettronica di consumo. Solo negli ultimi tempi ha trovato applicazione anche in campo astronomico. Occorre subito fare una precisazione: anche le normali videocamere utilizzano sensori CCD per ottenere un immagine, ma in questo caso si tratta di immagini in movimento che possono essere registrate su nastro magnetico e visualizzate su un qualsiasi televisore senza bisogno del computer. Risoluzione e sensibilità di questi sensori sono però notevolmente inferiori a quelle delle camere CCD per uso astronomico. Inoltre, quasi tutte le camere CCD sono bianco/nero, per aumentare risoluzione e sensibilità con queste camere le immagini a colori si possono ottenere attraverso la combinazione, operata da un apposito software, di tre immagini riprese in sequenza attraverso filtri R, G, B (rosso, verde, blu, ovvero i tre colori primari della sintesi additiva).

L’aspetto che però ha maggiormente decretato il successo di questi sofisticati dispositivi (utilizzati anche nel famoso telescopio spaziale Hubble) è senz’altro legato alla possibilità che offrono all’astrofilo di ottenere - anche in siti osservativi fortemente penalizzati dall’inquinamento luminoso - delle immagini che fino a pochi anni fa sarebbero state appannaggio esclusivo di strumenti di grande apertura e, come tali, dai costi proibitivi. Il tutto con un investimento relativamente modesto.

Camere CCD contro fotografia tradizionale.

Sorge subito spontaneo il paragone con la fotografia tradizionale. Bastano alcune considerazioni per capire quale formidabile balzo in avanti questi strumenti abbiano consentito.

Consideriamo la scala tonale. Una emulsione fotografica è in grado di restituire mediamente circa 40 toni di grigio. Una camera CCD è in grado di raggiungere i 65.000 toni di grigio. Anche se non si vedono tutti nel monitor del computer, questi livelli sono stati registrati e, utilizzando opportuni programmi di elaborazione delle immagini così ottenute, è possibile recuperare le informazioni che più interessano. Da una stessa immagine digitale si possono quindi ricavare un gran numero di immagini finali, a seconda della chiave interpretativa che ad esse si vuol dare.

Altro parametro fondamentale è l’efficienza quantica (QE). Essa indica la capacità di un elemento fotosensibile di rilevare l’ impatto di un fotone sulla sua superficie. Il suo valore è espresso in percentuale e mentre per una pellicola fotografica ad alta sensibilità esso si aggira intorno al 3% (ovvero solo 3 fotoni su 100 che colpiscono la pellicola vengono registrati), per i sensori CCD questo valore è superiore al 45%. Le ultime generazioni di sensori retroilluminati arrivano addittura all㥘%. Potete facilmente intuire che, laddove per l’emulsione fotografica sono necessari tempi di posa lunghissimi, a parità di condizioni le camere CCD richiedono tempi di posa notevolmente inferiori. Questo fatto ha come conseguenza pratica - oltre alla nota possibilità di rivedere subito un’ immagine digitale registrata - anche la possibilità di effettuare ripetute prove in un unica sessione di imaging.

Le camere CCD hanno una sensibilità spettrale che si estende oltre le lunghezze d’onda del visibile, da una parte fino al vicino infrarosso, e dall’ altra fino all’ultravioletto e ai raggi X. Questo fatto è di grande importanza nell’ astrofotografia, perchè queste lunghezze d’ onda rivelano spesso particolari importantissimi non rilevabili in visuale. Le pellicole fotografiche sono invece praticamente insensibili all’ infrarosso, mentre hanno una discreta sensibilità all’ ultravioletto vicino.

La risoluzione è un elemento cruciale di qualsiasi sistema di cattura delle immagini. Tralasciando il potere risolutivo dell’obiettivo (che però è fondamentale per ottenere immagini di qualità), nel caso delle pellicole essa è funzione delle dimensioni della grana, mentre nel caso dei sensori CCD essa è determinata dalle dimensioni dei pixel, ovvero degli elementi sensibili che compongono il chip. E’ ovvio che sensori con pixel di dimensioni più piccole offrono una maggiore risoluzione, ma risultano meno sensibili e molto più costosi. Tra l’altro bisogna considerare che a volte il potere risolutivo del sensore risulta eccessivo rispetto a quello dell’ obiettivo e alle condizioni di seeing. In questi casi può essere consigliato l’uso di un riduttore di focale o di un obiettivo fotografico. Rispetto alle emulsioni fotografiche ad alta sensibilità normalmente utilizzate nell’astrofotografia (ad eccezione della pellicola Kodak Technical Pan 2415, caratterizzata da una grana molto fine) le camere CCD hanno in generale un potere risolutivo maggiore.

Il campo inquadrato è molto più piccolo nelle camere CCD rispetto alla pellicola 35 mm. Questo fatto, se può essere considerato un vantaggio nelle riprese dei pianeti, è spesso un problema nelle riprese del cielo profondo, perchè per fotografare porzioni piuttosto ampie della volta celeste è necessario l’uso di un riduttore di focale.

A vantaggio della fotografia tradizionale rimangono quindi pochi elementi. Fra questi, i costi senz’ altro inferiori (anche se è prevedibilie che in un futuro non molto lontano il costo delle camere CCD sarà più accessibile), una maggior immediatezza nel riprendere immagini a colori, ma soprattutto il non dover dipendere da un computer, fatto che notoriamente crea dei problemi quando si devono effettuare riprese in siti isolati.

Come è fatta una camera CCD?

Sostanzialmente essa si compone di tre elementi fondamentali: il sensore o chip, l’elettronica di controllo e il sistema di raffreddamento. Quest’ultimo ha il compito di ridurre il più possibile il disturbo (che in termine tecnico viene chiamato “rumore”) dovuto alla temperatura dell’ambiente. Tale rumore andrebbe infatti a mescolarsi col segnale, generando una cattiva qualità delle immagini finali.

Il chip.

Il chip è costituito essenzialmente da degli elettrodi in polisilicio (gate) separati da un substrato di silicio (la parte sensibile) mediante un sottilissimo strato isolante di biossido di silicio. I fotoni che intergiscono col silicio generano elettroni che vengono accumulati in microscopici serbatoi o “celle” (well), create da differenze di potenziale elettrico fra gate adiacenti. Questi serbatoi costituiscono i pixel, ovvero i componenti fondamentali di quel grande mosaico che è l’ immagine finale. Per essere più chiari, il pixel è un elemento di immagine, e come tale è il corrispondente virtuale della cella, che è il luogo dove avviene fisicamente l’accumulo di carica. Nella pratica, i due termini spesso si sovrappongono, per cui si usa normalmente parlare di pixel.
I pixel sono disposti ordinatamente in linee contigue per effetto dei campi elettrici fra gate adiacenti di cui abbiamo appena parlato. Quando uno di questi elementi viene colpito da un fotone, al suo interno si genera, come detto, un’accumulo di carica elettrica. Maggiore sarà il numero dei fotoni che colpisce il pixel, maggiore sarà questo accumulo. E’ bene precisare che non tutti i fotoni hanno energia sufficiente per innescare l’effetto fotoelettrico. Infatti i fotoni con lunghezza d’onda superiore ai 1100 nm passano attraverso il chip senza produrre alcun effetto. La stessa cosa accade all’altra estremità dello spettro visibile, solo che in questo caso la “cecità” è dovuta all’assorbimento dell’ ultravioletto sotto i 300 nm da parte degli strati superiori del chip. Per farli diventare sensibili (QE ~ 15%) a lunghezze d’onda fino ai 50 nm, viene applicato sulla griglia uno strato di fosforo (LUMIGEN). I fotoni dell’ultravioletto vengono assorbiti da questo strato e riemessi a lunghezze d’onda superiori, che possono essere facilmente rivelate. I CCD con trattamento LUMIGEN si comportano come se questo non esistesse per lunghezze d’ onda superiori ai 460 nm. Esistono anche dei particolari tipi di CCD che sono normalmente sensibili a lunghezze d’onda fino a 180 nm, e non necessitano pertanto del trattamento LUMIGEN: sono i cosiddetti Open-Phase CCD. Superato un buco spettrale, i CCD (e in modo particolare gli Open-Phase CCD) recuperano sensibilità per le lunghezze d’onda di circa 1 nm, diventando così degli utili rivelatori di raggi X a bassa energia.
Una volta che è stata completata l’ esposizione, i “pacchetti” di cariche registrati vengono trasferiti - mediante variazione dei potenziali sui gate - all’elettronica di controllo (readout station) per essere elaborate. Il processo di trasferimento delle cariche assomiglia al funzionamento di un nastro trasportatore (vedi figura 1).

I più importanti produttori di chip sono: Texas Instruments, Kodak, Philips, Thomson, EEV, Scientific Imaging Technologies (SITe). Quest’ultima produce i chip più avanzati e costosi, ad altissima efficienza e retroilluminati (i fotoni giungono dal lato del substrato di silicio), che sono montati anche sul telescopio spaziale Hubble.
Qui di seguito vi elenchiamo le caratteristiche fisiche dei chip commerciali più diffusi sul mercato.

Ed ecco le prestazioni di alcuni di loro:

I sensori sono il vero cuore del sistema e la tecnologia impiegata per costruirli è sofisticatissima e quindi molto costosa. La produzione avviene in camere asettiche, perchè la presenza di una sola particella di polvere può danneggiare irrimediabilmente il chip. Ecco perchè sul mercato esistono, per ciascun tipo di sensore, varie classi di qualità, con costi assai differenti:

• CLASSE 0 - sensori perfetti, senza neanche un pixel difettoso;
• CLASSE 1 - sensori con pixel difettosi in una sola colonna;
• CLASSE 2 - sensori con pixel difettosi in due colonne;
• CLASSE 3 - sensori con pixel difettosi in tre colonne.

Per avere un’idea delle difficoltà costruttive che comporta un sensore di grandi dimensioni, pensate che per ottenere un chip di 2048 x 2048 pixel di classe 0 occorre costruirne svariate decine. Esitono poi sensori che non vengono prodotti in serie, dalle caratteristiche impressionanti. La Philips ha costruito un sensore con circa 63 milioni di pixel (7000 x 9000) da 12 mm, mentre la Lockheed Martin ne ha prodotto uno con 81 milioni di pixel (9000 x 9000) dalle dimensioni più piccole, per cui l’area del sensore risulta inferiore a quella del chip Philips.

L’elettronica di controllo.

L’ elettronica di controllo o stazione di lettura (readout station) è lo stadio che ha il compito di raccogliere le informazioni provenienti dal chip, misurando la variazione di carica di ciascun elemento e trasformandola in numeri, per ricostruire l’ immagine sulla base del modello originale. La conversione analogico/digitale (A/D) del segnale può avvenire con differente precisione a seconda del convertitore utilizzato:

E’ bene che il convertitore sia adeguato alla dinamica del sensore. Ad esempio, un sensore con 66 dB di dinamica è in grado di discriminare circa 2000 livelli di grigio (o di luminosità). Per poterli interpretare correttamente, sfruttando al massimo la dinamica del sensore, occorre un convertitore capace di restituire almeno 2000 livelli di grigio, quindi a 11 bit. Alcune camere montano convertitori multirange, in grado di variare il guadagno e di adattare al meglio la dinamica del sensore alla precisone del convertitore.
E’ infine assai importante che l’ elettronica di controllo sia di elevata qualità sia progettuale che componentistica al fine di introdurre la minor quantità possibile di disturbi nel processo di trasferimento e di lettura dell’ informazione.

Il sistema di raffreddamento.

Il sistema di raffreddamento è generalmente di tipo termoelettrico. E’ costituito da una piccola pompa di calore ad effetto Peltier, una cella che sfrutta la corrente elettrica per produrre un abbassamento della temperatura che può spingersi fino a
-45°C rispetto a quella dell’ ambiente. I CCD professionali vengono raffreddati con azoto liquido, che può spingere il gradiente termico fino a 90°C!

Glossario dei termini più usati.

Ottica adattiva
Si tratta di una nuovissima tecnologia messa a punto dalla SBIG per i suoi modelli ST-7 ed ST-8. Attraverso un adattamento continuo dell’ immagine gestito dai due sensori delle camere suddette insieme a un dispositivo a specchi mobili, denominato AO-7, è possibile eliminare i piccoli errori di tracciamento dovuti alle inevitabili imprecisioni delle motorizzazioni e alle vibrazioni della montatura. Attraverso questo adattamento può essere ridotto in modo consistente anche il degrado dell’ immagine introdotto da condizioni atmosferiche non ideali. Il risultato è un potere risolutivo praticamente raddoppiato.

Full Well Capacity (Capacità di Cella) - Unità di misura e^-
E’ un parametro che indica quanti elettroni può contenere un pixel. In generale questo numero oscilla fra 50.000 e 1 milione. Più alto è questo valore e maggiore è la dinamica del CCD, ovvero la sua capacità di registrare simultaneamente oggetti di luminosità differente. Questo valore è strettamente legato alle dimensioni del pixel: più esso è grande e maggiore è la FWC, ma sappiamo anche che pixel troppo grandi riducono la risoluzione. Attualmente, il pixel più piccolo che può essere prodotto misura 7 micron, mentre il più grande ne misura 52. Nel CCD del telescopio spaziale vengono usati pixel di 15 micron. Con una FWC pari a 500.000 e un intervallo dinamico di 250.000 dovuto al rumore di lettura, esso è in grado di registrare in una singola esposizione due oggetti con una differenza di 13.5 magnitudini, pari a quella esistente fra Vega e Plutone!

Pixel Crosstalk (Diffusione di Carica)
E’ il fenomeno per il quale cariche che vengono generate in un pixel tendono a diffondersi nei pixel adiacenti. Questo fenomeno si verifica soprattutto nella fotografia all’infrarosso, i cui fotoni sono dotati di energia più elevata e penetrano più profondamente nella cella in silicio. A quelle profondità la carica risulta meno influenzata dal campo elettrico dei gate e tende a sfuggire al suo controllo, diffondandosi nei pixel più vicini. Se il valore di Pixel Crosstalk è elevato, si ottengono immagini poco definite.

Read Out Noise (Rumore di Lettura) - Unità di misura e^-
E’ il rumore provocato dagli amplificatori del segnale. E’ dovuto a fluttuazioni casuali della corrente che scorre attraverso i transistor e produce una specie di “effetto neve” sull’immagine.

Dark Current (Corrente di Buio) - Unità di misura e^-/s
E’ la corrente che nasce per generazione spontanea di elettroni all’ interno del chip anche quando esso non è colpito dalla luce. E’ legata alla temperatura di lavoro del sensore e genera rumore termico, che può essere ridotto a valori trascurabili con un adeguato sistema di raffreddamento. La corrente di buio si dimezza ogni 8°C di abbassamento della temperatura del sensore. Un tipico sensore CCD non raffreddato, che lavori alla temperatura di 25°C, si satura completamente in pochi secondi e non sarebbe utilizzabile per l’ uso astronomico, dove sono spesso necessarie pose più lunghe.

Flat Field
Immagine di un soggetto uniforme (una superficie bianca illuminata in modo uniforme, posta davanti al telescopio), che viene ripresa per correggere gli effetti della vignettatura ottica, della disuniformità nella risposta dei pixel e della presenza di sporcizia sul cammino ottico, tutti difetti sempre presenti in un fotogramma elettronico.

Binning
E’ una caratteristica di alcuni CCD, nei quali è possibile accoppiare pixel adiacenti per aumentare la sensibilità. Il processo di binning avviene durante il trasferimento di informazione dai registri paralleli a quello seriale (vedi sopra). Quando il CCD lavora in modalità binning, sul registro seriale vengono trasferite due o più righe di pixel prima che questo cominci a sua volta a trasferire le cariche verso l’ uscita per il conteggio.

Anti-Blooming
E’ un dispositivo che consente di eliminare quelle fastidiose scie che si formano in prossimità degli oggetti più luminosi. Sotto l’aspetto estetico le immagini sono senz’altro più gradevoli, ma la risposta del sensore non è più lineare e anche la sensibilità diminuisce. In alcune camere l’effetto Anti-Blooming può essere ottenuto anche via software.

Track & Accumulate, CoAdding
Tecniche che consentono di aggirare il problema della scarsa precisione di inseguimento tipica dei telescopi amatoriali, e che consiste nel riprendere molte brevi esposizioni, di metterle a registro e di sommarle automaticamente tra loro, a formare una singola immagine ricca di informazioni e ben inseguita.

DCS (Double Correlate Sampling)
Doppio campionamento correlato. E' una tecnica che consente di dimezzare uno dei componenti di rumore di una camera CCD - il rumore di lettura - che incide fortemente sulla qualità delle immagini a breve esposizione.