La camera CCD

 

traduzione della pagina

http://huizen.ddsw.nl/bewoners/maan/imaging/camera/camera.html

 

a cura di

Maria Grazia Chieffo

 

 

La camera CCD è formata essenzialmente da tre parti.

  1. Il corpo macchina (Camera body)
  2. Il chip CCD
  3. Componenti elettronici

 

 

1. Il corpo macchina  (Camera body)
Il corpo macchina è la parte meccanica della camera, contiene il chip del CCD e lo protegge da luce esterna indesiderata. Può anche essere montato sul telescopio.

 

Figura 1: corpo macchina

 

2. Il chip CCD

Un chip CCD (Charge Coupled Device: Dispositivo ad Accoppiamento di Carica) è un dispositivo sensibile alla luce, fatto di silicio. E’ una sequenza di pixels sensibili alla luce. Quando la luce cade su di un pixel, viene convertita in una carica elettrica. Questa carica è catturata nel pixel, perciò non può muoversi in altri pixels. Più luce colpisce il pixel, più carica vi verrà accumulata. La quantità di carica è una misura della quantità di luce percepita dal pixel.

 

Figura 2: il chip del CCD visto nella camera.

 

 

 

Figura 3: La parte sinistra mostra un'immagine di un chip CCD TC245, la parte destra è una rappresentazione di una piccola parte della sua superficie sensibile alla luce con i singoli pixels.

 

Come si registra un’immagine ?

Il telescopio proietta un’immagine sul chip del CCD. Aree molto luminose produrranno più carica nei pixels rispetto ad aree poco luminose. La quantità di carica in ogni pixel forma l’immagine. Il computer può rilevare questa carica e convertirla in un’immagine.

Figura 4: il valore in ogni pixel dà la carica, che è legata all'intensità luminosa.

 

Com’è un’immagine costruita col chip del CCD?

Si distinguono principalmente tre fasi:

  1. Clearing phase.

Generalmente non c’è un otturatore nella camera, quindi c’è sempre luce che colpisce il chip del CCD. Se si vuole far formare un’immagine, si devono rimuovere prima tutte le cariche dai pixels. Il chip del CCD è in grado di spostare ogni linea verso il basso con impulsi elettrici. Tutta la carica in una linea verrà posta in quella sottostante. Ciò accade con tutte le linee del chip contemporaneamente. La linea più in basso porrà interamente la sua carica nella ‘clearing line’, dove poi sarà rimossa. Quando tutte le linee sono andate via, non ci sarà più alcuna carica residua. Questa fase richiede pochi millisecondi.

Figura 5:rimozione delle cariche

 

  1. Esposizione o fase d’integrazione

Il telescopio proiettando l’immagine sul chip del CCD, fa sì che la carica si accumuli nei pixels. Più a lungo si attende, più luce sarà registrata dal chip. Questa fase è strettamente legata al tempo di esposizione, detto anche ‘tempo d’integrazione’, poiché il chip “integra” la quantità di luce in un certo tempo che dipende dall’oggetto fotografato. Fotografando la Luna o i pianeti questo tempo è in genere di qualche decimo di secondo, ma per oggetti più lontani può essere anche di minuti o di ore.

Figura 6: la matrice del CCD dopo 1 e 2 sec. di esposizione. La carica in ogni pixel è circa il doppio

  1. Fase di lettura

Per avere l’immagine nel proprio computer, bisogna leggere la quantità di carica in ogni pixel. C’è un dispositivo, il nodo quantificatore di carica (charge detection node), nel chip del CCD che è in grado di misurare la carica di ogni pixel. Quando il contenuto di un pixel viene fatto scorrere via, passa per questo dispositivo. L’ultima linea in basso ha questo compito, fa scorrere i pixels a sinistra in direzione di questo dispositivo. Così può essere misurato uno per uno  il loro contenuto. Quando tutti i pixels di una linea sono stati misurati, ogni linea sarà saltata al posto di quella inferiore. Così si procede finchè non si esauriscono le linee. Il computer può leggere le misure attraverso l’elettronica posta nella camera. Questa fase dura pochi secondi. Una volta che il computer ha raccolto tutte le misure, può mostrarne un’immagine.

 

Tipi di CCD più usati

     Full frame device

Questo è il più semplice dispositivo, come quello descritto sopra. E’ usato nella camera CB211. Non può essere usato per fotografare la Luna ed i pianeti senza un otturatore. Per immagini di questi tipi di oggetti è necessario un tempo d’integrazione di qualche decimo di secondo.  Il tempo di lettura può prendere invece qualche secondo. Durante questa fase il chip continua a ricevere luce, quindi l’immagine originale verrà distrutta prima che possa essere interamente letta dal computer.

 

                Frame transfer device


Il chip del CCD nella camera CB245 ha un chip TC245 della Texas Instruments. Con questo tipo di chip, metà parte, quella inferiore, è protetta dalla luce. L’immagine è formata nella metà superiore del chip. Non appena finito di formare l’immagine, questa sarà trasferita dalla metà superiore a quella inferiore, dove sarà protetta dalla luce. Per questo ci vorranno solo pochi millisecondi. C’è abbastanza tempo, in quest’area, per leggere l’immagine. Questo tipo di dispositivo può essere usato per fotografare la Luna ed i pianeti.

Figura 7: CCD TC245 diviso in due parti.

 

     Interline transfer device

Una linea ogni due è protetta dalla luce. Durante l’integrazione solo una linea riceve luce. Alla fine questa linea viene spostata nella linea protetta, dove sarà letta dal computer. Questo tipo di dispositivo può essere usato per fotografare i pianeti, la Luna con più difficoltà, a causa della sua brillantezza. La luce troppo intensa può danneggiare la linea protetta.

 

3. Componenti Elettronici

I componenti elettronici della camera fungono da collegamento tra il chip del CCD ed il computer. Quest’ultimo ha il compito di controllare la camera attraverso i suoi componenti elettronici. Per spostare le linee sul chip del CCD, c’è bisogno degli impulsi dei segnali di clock che devono essere generati da componenti elettronici posti nel chip del CCD o, come nel caso della camera CB245, dal computer. In questo caso gli impulsi devono essere convertiti in valori compatibili e leggibili dal chip del CCD. Un altro importante compito è la conversione del segnale output analogico del “charge detection node” in un formato digitale che il computer può leggere. La conversione è fatta da un ADC (Analog to Digital Converter: Convertitore Digitale-Analogico) che naturalmente impiega più tempo per la fase di lettura.

La camera CB245 ha bisogno di due unità elettroniche:

 

  1. Il “preamplifier” (preamplificatore)

Questa unità è montata sul corpo macchina. Amplifica il segnale analogico dal chip del CCD e converte i segnali di clock.

 

  1. La “interface card”

Questa unità connette il computer al preamplificatore. Converte i segnali del computer ed anche il segnale analogico  dal chip CCD in formato digitale.

 

Figura 8: a sinistra la camera ed il preamplifier, a destra l'interface card.

 

Figura 9: componenti elettronici interni.

 

Il Software

Il software nel computer che permette di controllare la camera è chiamato software di acquisizione. Non ci si deve preoccupare dei segnali di clock, delle conversioni, della fase di clearing e di altre cose. Bisogna solo immettervi dati concernenti dove memorizzare l’immagine, su hard disk o altro tipo di memoria e scegliere le opzioni più opportune al trattamento ed alla gestione dell’immagine.