I sensori CCD

... qualche semplice considerazione a cura di Marco Cai


... e la tecnologia moderna ci aiuta con un comodo sensore, (il CCD) che unito ad un computer e ad un telescopio ci permette di avere SUBITO delle foto del cielo!

Ma procediamo con ordine:

La chimica ha inventato una sostanza (le pellicole fotografiche) che reagisce alla luce.
L'elettronica ha inventato una componente (la CCD) che reagisce ANCHE alla luce.

... che significa?
Se io sto con in mano una macchina fotografica e scatto una foto, dopo un giorno posso svilupparla ed avere un'immagine che contiene SOLO quello che ho fotografato.
Problemi:

L'immagine non e' subito disponibile e io, durante il lavoro al telescopio, non vedo cosa ho ottenuto.

L'immagine deve essere passata da uno scanner per poterla elaborare con un computer, spedire via internet, ecc.

Sensibilita' massima 1600 asa (... e sono gia' tanti).

Se invece io scatto una immagine CCD, ho dei problemi che, se eliminati, possono rendere interessanti i vantaggi ottenuti.
Vantaggi:

Ho l'immagine SUBITO disponibile.

L'immagine e' gia' in formato digitale, pronta per essere elaborata, spedita via internet ecc..

La sensibilita' e' molto maggiore delle pellicole fotografiche (e ogni anno si costruiscono CCD sempre piu' sensibili, mentre la pellicola chimica sembra gia' arrivata al massimo del suo possibile sviluppo).
Svantaggi:

L'immagine ottenuta non contiene solo cio' che mi interessa, ma ha dei difetti enormi: e' sommata ad alcune immagini indesiderate.

Se noi riusciamo a identificare e misurare correttamente le immagini indesiderate che la CCD ci fornisce insieme alla foto del cielo, possiamo, con l'aiuto di un computer, sottrarle al risultato ottenuto ed avere in questo modo la vera foto che ci interessa.

Ora descriviamo un po' dei problemi delle CCD e le loro soluzioni:

Dark.
Brutta parola. Che significa?
Significa che se io tappo la CCD e scatto una foto ottengo una immagine che, a differenza dell'equivalente con pellicola chimica, non e' una immagine tutta nera, ma contiene qualcosa.
Le CCD, infatti, sono costituite da una matrice (immaginiamo la pagina di un quaderno a quadretti) di puntini (pixel) sensibili alla luce e che possono essere misurati, uno per volta, dopo una certa esposizione.
I vari pixel presenteranno, durante la lettura, un valore che (a secondo delle CCD) varia tra lo 0 e un massimo ( ad esempio 65535, nel caso di 16 bit, 32767 con 15 bit ecc..).
L'immagine ottenuta e' quindi organizzata come un mosaico formato da un preciso numero di tasselli sia in orizzontale che in verticale.
Non sempre questi tasselli sono di forma quadrata (dipende, come al solito, dalla CCD), e spesso non formano nemmeno un quadrato.
Comunque, rappresentando i valori letti in ciascun pixel con una scala di grigi, io mi accorgo che l'agitazione termica degli elettroni provoca un'immagine e quindi una falsa lettura della CCD.

Questa immagine fasulla si elimina semplicemente scattando una foto, con posa uguale a quella reale, col telescopio tappato.
Questa immagine si chiama Dark Frame e presenta l'inconveniente di variare MOLTO con la temperatura, per cui noi dobbiamo raffreddare il piu' possibile la CCD (di solito con una cella di Peltier: una specie di frigorifero allo stato solido grande come una moneta da 100 lire e alimentato direttamente a 12 Volt).
Oltretutto dobbiamo anche misurare esattamente la temperatura del sensore per sottrarre ad una foto scattata a -18,7 gradi il dark frame ottenuto sempre a -18,7 gradi.
Ma questo non e' un problema, dopo un po' avremo un archivio con i dark a tutte le temperature (gia' pronti all'uso).

... sarebbe bello che i problemi fossero finiti qui... e invece no!

Bias.
Se scatto una foto con la CCD, automaticamente vengono azzerati tutti i pixel. Per cui se scatto due foto a distanza ravvicinata (prossima allo zero), mi aspetto che la seconda sia buia (anche perche' l'agitazione termica degli elettroni non ha avuto il TEMPO di creare di nuvo l'immagine dark).
E invece no!
L'elettronica analogica della CCD, durante il ciclo di lettura del valore di ogni singolo pixel, commette degli errori e si inventa di nuovo un'immagine che ci si aspettava tutta nera.
Per fortuna questa immagine e' una costante, non dipende dalla temperatura e posso memorizzarla una volta per tutte e quindi sottrarla a ciascuna foto.

Flat.
...e questo cos'e?
Se ho una pellicola, poniamo da 400 asa, mi aspetto che la sua sensibilita' sia uguale in ogni punto. Con le CCD questo non avviene, in quanto ogni singolo pixel ha una sensibilita' diversa dagli altri.
Illuminando con una luce omogenea la superficie della CCD, per un tempo tale da avere un valore dei pixel che si aggira sulla meta' del valore massimo raggiungibile, dopo aver sottratto il Dark e il Bias, mi trovo una immagine grigia (circa al 50%) che pero' non e' uniforme.
Ogni pixel avra' qundi un valore diverso. Questa immagine andra' moltiplicata pixel per pixel (considerando uguale a 1 il valore medio dei pixel) a quella ottenuta sottraendo prima il Dark e poi il Bias.

... e a questo punto ci piacerebbe aver finito di soffrire... ma neanche per sogno!

Pixel caldi e neri
... e ti pareva che tutti i pixel funzionassero.
Quelli caldi sono sempre al loro massimo valore (o lo raggiungono quasi subito), quelli neri sono sempre a zero (o il loro basso valore si alza troppo poco).
E che si fa? Ci sono tre possibilita':
1)Si sbatte la CCD sul tavolo di chi ce l'ha venduta, il quale, ridendoci in faccia, ci dira' di ripassare fra 300 anni quando la tecnologia permettera' di non avere difetti di produzione.
2)Ce ne infischiamo altamente dei pixel fasulli.
3)Da software assegnamo a tali pixel un valore medio calcolato, ad esempio, con gli 8 pixel confinanti.

... ora e' proprio finita; finalmente abbiamo la nostra bella foto del cielo.


Marco

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