Alla soglia del terzo millennio il nostro secolo sarà probabilmente ricordato come il primo dell'Età del Silicio.
Questo, elemento il più abbondante sulla Terra, è alla base della tecnologia dei semiconduttori, del "microchip" che ormai domina dappertutto, segnando gli aspetti della nostra vita di tutti i giorni. Il silicio è un materiale semiconduttore, vale a dire un elemento che gode parzialmente di proprietà di un buon conduttore elettrico come il rame e di un isolante elettrico come il vetro.
La sua struttura può essere controllata in vari modi, ad esempio tramite l'iniezione di atomi di elementi di natura diversa nella struttura cristallina, permettendo così la costruzione di componenti e circuiti elettronici.
In poco più di trent'anni la tecnologia dei semiconduttori è stata alla base di una rivoluzione senza precedenti. Circuiti integrati e microprocessori di elevata complessità e potenza hanno reso possibile la costruzione di sistemi in grado di effettuare calcoli di estrema complessità.

Tutto ciò con un grande impatto sull'Astronomia. Gli apparati fotoelettrici, convertono l'energia radiante in segnali elettrici che possono essere digitalizzati, ossia convertiti in forma numerica, e quindi elaborati da un computer. Oggi questi strumenti, spesso automatizzati e controllati a distanza, hanno un'elettronica molto avanzata e dialogano con computer dotati di banche dati e software molto potenti.
Tra questi, parleremo dei sistemi elettronici CCD, ossia delle camere CCD ormai diffuse anche tra gli astronomi dilettanti. Il motivo è semplice.
Gli strumenti utilizzati dagli astronomi dilettanti operano generalmente nella banda della luce visibile dall'occhio umano o al più nella banda spettrale tra il vicino ultravioletto e il vicino infrarosso, cioè in un campo di lunghezza d'onda tra i 300 e 1000 nm, in cui il CCD è in generale molto sensibile.

1. Il CCD

Il CCD (Charge-coupled device, ossia dispositivo ad accoppiamento di carica) è nato presso i laboratori Bell di Murray Hill, New Jersey, già luogo di nascita del transistor. Verso la fine del 1969, Bill Boyle e George Smith, ricercatori impegnati nella ricerca di nuovi metodi di acquisizione delle immagini tramite cristalli di silicio, nello sforzo di sviluppare il PicturePhone, trovarono quasi per caso il CCD. Vale la pena raccontarvi brevemente come andarono le cose.
Verso la fine di quell'anno, quando nei laboratori Bell di Murray Hill la ricerca sulle memorie a bolle magnetiche era al massimo del suo sviluppo, Bill Boyle, direttore esecutivo della Divisione Semiconduttori, e il suo amico George Smith, capo del dipartimento responsabile dello sviluppo di un nuovo dispositivo (una matrice di diodi di silicio) per il Picturephone, s'incontrarono di pomeriggio per discutere di tecnologie basate sul silicio.

All'improvviso ecco la domanda chiave posta da Bill al suo amico: "What about an electric bubble?" L'analogia tra il passaggio di bolle magnetiche e il passaggio di cariche elettriche da un dominio ad un altro fu ciò che spinse entrambi ad approfondire la discussione.
Noto era il modo di memorizzare le cariche tramite un sottile strato metallico depositato sulla superficie di un cristallo di silicio, ma nuova fu l'idea, mutuata per analogia dalla tecnologia delle memorie a bolle magnetiche, di raggruppare i domini di accumulo delle cariche e di usare opportune differenze di potenziale elettrico per trasportare le cariche da un dominio all'altro.

I concetti basilari furono chiari in meno di due ore. Poche settimane dopo il primo CCD a 6 elementi (pixel) era pronto per i primi test. Sul Bell System Technical Journal, Vol. 49, n.4, Aprile 1970, apparve una relazione tecnica dal seguente titolo: A new semiconductor device concept has been deviced which shows promise of having wide application.
Fu una profezia destinata a rivoluzionare il mercato, con un impatto straordinario nell'universo dell'astronomia. Il CCD è un dispositivo caratterizzato da una matrice di microscopiche regioni di forma quadra o rettangolare, disposte a scacchiera sulla superficie di un cristallo di silicio, opportunamente trattato e integrato in un dispositivo (oggi abbastanza complesso) comunemente denominato microchip.
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. Tecnologia e modo di funzionare di un moderno CCD sono argomenti che meriterebbero di essere trattati con un sufficiente grado di completezza.
In questa sede ci limiteremo ad illustrarne le caratteristiche e le proprietà salienti al solo scopo di aiutare gli astronomi dilettanti ad un uso appropriato e corretto delle speciali macchine fotografiche elettroniche, altresì chiamate camere CCD, dotate di questi straordinari dispositivi.

2. La camera CCD

In una macchina fotografica tradizionale, la superficie del film esposta alla luce giace su un piano posto di fronte all'otturatore. Se sostituiamo il film con un sensore CCD e, con un tocco di bacchetta magica, equipaggiamo la nostra macchina con un'elettronica ed un software capaci di registrare e riprodurre immagini digitali, abbiamo ottenuto 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 (da un minimo di 4 a un massimo di 100) rispetto agli 864 mm² del campo di una 24 x 36.
Sembra un incolmabile vantaggio a favore del film fotografico, ma non è così, come vedremo più avanti, anche se, indubbiamente, è preferibile da un punto di vista pratico utilizzare un sensore di dimensioni ragionevoli e generalmente non inferiori a 18-20 mm².

Vista attraverso un microscopio, la superficie di un'emulsione fotografica è composta di grani le cui dimensioni sono generalmente più grandi di quelle del pixel di un CCD. Osservando più attentamente la grana del film, ci si accorge che questa presenta elementi di dimensioni variabili, distribuiti in modo irregolare e non uniforme.
Al confronto, i pixel del CCD sono tutti identici e sono disposti con assoluta regolarità lungo le colonne e le righe di una matrice quadrata o rettangolare. E' un punto a favore del CCD.
Con la nostra camera CCD munita di obiettivo tradizionale o collegata ad un telescopio, proviamo a riprendere un'immagine di un oggetto astronomico. I fotoni, cioè i quanta di energia radiante provenienti dall'oggetto inquadrato inizieranno a cadere sulla superficie del sensore.
Ciascun pixel ne raccoglierà una quantità proporzionale alla durata dell'esposizione e all'intensità del flusso luminoso incidente. Il CCD trasformerà parte dell'energia E associata ai quanta (E=hc/l, dove h è la costante di Planck, c la velocità della luce e l è la lunghezza d'onda della luce) in elettroni, ossia in cariche elettriche, che saranno immediatamente integrate nel substrato adiacente alla matrice dei pixel.

Durante esposizione (processo di integrazione delle cariche) una precisa mappa elettronica dell'immagine dell'oggetto astronomico andrà formandosi sulla superficie del sensore. Il processo di integrazione è generalmente lineare ed esente dal cosiddetto difetto di reciprocità presente nelle emulsioni fotografiche.
Di più, una percentuale ben più alta di fotoni (dal 20% al 60% rispetto al 2-3% dell'emulsione fotografica) sarà catturata e trasformata in elettroni. Tutto ciò significa maggior sensibilità (efficienza quantica) del CCD rispetto all'emulsione fotografica. Al termine dell'esposizione l'immagine astronomica "impressa" nel substrato del sensore sarà trasmessa sotto forma di segnale elettrico ad un circuito integrato che ne effettuerà il campionamento, ovvero la digitalizzazione, un processo che trasformerà il segnale d'immagine in una ordinata sequenza numerica di bit.

L'immagine così ottenuta "light frame" sarà quindi trasferita in un computer e visualizzata sul monitor. Successive elaborazioni manuali o automatiche trasformeranno l'immagine originale, generando una quantità ed una qualità di informazioni decisamente superiori a quelle ottenibili con la fotografia tradizionale.
Abbiamo dato una descrizione sommaria della camera CCD e abbiamo appreso che il sensore ne è il cuore. Vediamo come è fatto.

3. Geometria dei CCD bidimensionali

Tra i CCD più comunemente usati nelle camere CCD non professionali, la matrice di un sensore CCD può avere una forma quadra o rettangolare con pixel di forma quadra o rettangolare.
Un pixel di forma quadra è preferibile ad uno rettangolare, solo per un fatto di pura comodità. Infatti, quando un'immagine CCD è visualizzata sullo schermo di un PC, a ciascun punto dello schermo corrisponde generalmente un pixel e i punti dello schermo del PC sono generalmente equidistanti l'uno dall'altro. Se i pixel sono rettangolari, l'immagine apparirà deformata, a meno di non operare un aggiustamento dello schermo o della finestra dello schermo che contiene l'immagine.

Oggi ciò non è più un problema: il software delle camere CCD, al pari di molti pacchetti software commerciali, permette di variare a piacere la geometria dell'immagine. I pixel hanno superfici molto piccole, di alcuni micron di lato (tra i più piccoli il pixel quadrato da 7.4 micron di lato del Sony ICX084AL impiegato nella camera CCD HX516), adiacenti l'uno all'altro a formare una superficie a scacchiera interamente sensibile alla luce.
Le zone che dividono i pixel sono talmente microscopiche da non creare apprezzabili discontinuità di sensibilità luminosa sulla superficie del sensore. Esistono tuttavia delle eccezioni.

Alcuni CCD Frame Transfer dotati di anti-blooming laterale (i.e. il Kodak KAF-0400L) presentano una griglia di zone morte, ossia insensibili alla luce, pari al 30% dell'intera superficie del sensore. I modernissimi CCD Interline Transfer della Sony (ICX055AL, ICX055AK, ICX084AL), dotati di un efficientissimo schema di anti-blooming e di velocissimi registri verticali di lettura e schermatura dell'immagine, presentano anch'essi una piccola zona morta, non superiore al 10% dell'intera superficie del sensore.
E' questo un piccolo inconveniente, trascurabile nell'uso più comune del CCD, ma di una qualche importanza nei lavori di astrometria e fotometria stellare, tuttavia superabile mediante un corretto campionamento dell'immagine (Teorema di Nyqist).

4. Tipologia dei CCD

I CCD maggiormente utilizzati nelle camere CCD non professionali sono gli Array CCD, caratterizzati da una schiera ordinata di fotoelementi generalmente disposti per righe e colonne 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.

4.1 Interline Transfer

I moderni CCD Interline Transfer, quali ad esempio i chip Sony delle camere CCD Starlight Xpress, sono caratterizzati dalla particolare disposizione verticale dei registri di shift delle cariche elettriche accumulatesi durante il processo di integrazione. Ad ogni colonna di elementi fotosensibili è associata una colonna adiacente di elementi (registri) che godono in generale delle stesse proprietà. Alla fine del processo di integrazione, le cariche accumulatesi negli elementi fotosensibili sono istantaneamente trasferite nei registri verticali per poi essere trasferite, riga per riga, nel registro orizzontale di lettura del segnale di uscita del CCD.
Lo shift delle cariche dai pixel ai registri verticali di lettura dura poco più di un milionesimo di secondo. Le camere dotate di CCD Interline Transfer non hanno pertanto bisogno di disporre, come vedremo più avanti, di otturatori elettromeccanici, in quanto di per se dotate di efficientissimi e velocissimi otturatori elettronici. Molti anni fa criticati dagli astronomi, perché affetti da fenomeni di aliasing dell'immagine finale e da un'eccessiva riduzione della superficie sensibile, i moderni CCD Interline Transfer hanno ridotto ad un minimo trascurabile questi difetti, pur mantenendo i pregi, come si vedrà più avanti, di una migliore efficienza quantica e di un efficientissimo schema di anti-blooming.

4.2 Frame Transfer

I CCD Frame Transfer, ad esempio il Philips FT12 della camera CCD SXL8, presentano due aree strutturalmente identiche sulla superficie del sensore. Una, sensibile alla luce, è la zona dove si accumulano le cariche durante la posa; l'altra, schermata con una lamina metallica, è la memoria dove al termine del processo di integrazione sarà parcheggiata l'immagine dopo un trasferimento dall'area sensibile, di brevissima durata, generalmente 1-2 millesimi di secondo.
Per questa ragione, anche se l'area attiva del sensore, al termine della posa, continua a rimanere esposta al flusso dei fotoni, l'immagine salvata nella memoria schermata adiacente sarà letta e trasferita intatta nel computer. Le camere dotate di CCD Frame Transfer non hanno pertanto bisogno di essere equipaggiate con otturatori elettromeccanici.

4.3 Full Frame Transfer

I CCD Full Frame Transfer, come il noto CCD Kodak KAF0400, impiegato ad esempio nelle camere CCD Sbig ST7, Meade 416, hanno solamente l'area attiva.
La lettura dell'immagine, al termine dell'esposizione, avviene mediante trasferimento progressivo verticale del contenuto delle righe della matrice del sensore dalla prima riga all'ultima, dalla quale il segnale è prelevato e campionato numericamente. Questo processo dura in genere alcuni secondi. Se l'area del sensore, nel frattempo, non è protetta dal flusso incidente dei fotoni, l'immagine finale sarà affetta da smearing, ossia da un alone provocato dal continuo assorbimento di energia luminosa.
Tale inconveniente, presente in alcune camere CCD, come la Meade Pictor 216XT e la Hi-Sis 22, può essere eliminato equipaggiando queste camere CCD con otturatori elettromeccanici in grado di schermare opportunamente l'area attiva del sensore durante il processo di lettura e campionamento dell'immagine.

5. Performance di un CCD

La performance di CCD è tra i fattori più importanti di valutazione di una camera CCD. Essa è data da un insieme di elementi di natura diversa che caratterizzano il modo di funzionare del CCD. Comprendere la natura di questi elementi è essenziale, allo scopo di valutare la camera CCD alla luce dell'uso che s'intende farne. Esamineremo nel seguito gli elementi più importanti.

5.1 Efficienza Quantica (Quantum Efficiency) e Sensibilità Spettrale

Non tutti i fotoni incidenti sulla superficie di un pixel del CCD producono fotoelettroni. Il rapporto tra i fotoelettroni prodotti e i fotoni incidenti, mediamente, per secondo e per singolo pixel, è un numero inferiore all'unità ed esprime l'efficienza quantica del CCD. E' solitamente espresso in percentuale ed indica la sensibilità teorica di un CCD.
La reale sensibilità è inferiore, di poco o di tanto, in funzione della qualità della camera CCD. La sensibilità tipica di una camera CCD non professionale varia tra lo 0 e il 60%, in base alla lunghezza d'onda dei fotoni incidenti. Misurando l'efficienza quantica per ogni valore di lunghezza d'onda in cui dividiamo lo spettro della luce incidente, possiamo costruire la curva di sensibilità spettrale di ogni sensore.
La curva di sensibilità spettrale è uno dei dati importanti della patente di un sensore.

Supponiamo di voler usare un CCD per riprendere un oggetto astronomico che emette radiazione luminosa nella banda del blu o del violetto: dobbiamo conoscerne la sensibilità in quella banda, ossia l'efficienza quantica relativa alla lunghezza d'onda del blu o del violetto. Un valore troppo basso della sensibilità spettrale ci costringerà ad effettuare lunghe esposizioni, tipiche della fotografia tradizionale, che impiega emulsioni di sensibilità equivalente non superiore al 4%, nel migliore dei casi.
Un buon CCD deve possedere una curva spettrale abbastanza efficiente per lunghezze d'onda comprese tra i 400 e i 700 nm, con valori limite di efficienza quantica non inferiori al 50% del valore di picco. I CCD che hanno curve spettrali con picco a 530-550 nm danno generalmente ottimi risultati.
Altro fattore importante è l'uniformità dell'efficienza quantica su tutta la superficie del sensore. Variazioni di sensibilità tra pixel e pixel, a parità di lunghezza d'onda, sono causa di rumore e riducono la qualità delle immagini.

5.2 Capacità elettronica per pixel (Full Well Capacity)

La capacità di accumulo delle cariche di un pixel non è illimitata. Il valore massimo di fotoelettroni che un CCD può accumulare in un singolo pixel è una caratteristica propria di ogni sensore. La Full Well Capacity di un CCD è un fattore di grande importanza nella valutazione di una camera CCD. Grandi valori di capacità elettronica di un pixel esprimono un maggior range dinamico del sensore a parità di rumore complessivo presente nel segnale.
Ad esempio, il range dinamico di un'immagine ottenuta con il sensore Philips FT12 della camera CCD SXL8 ha un valore di 15.000, dato dal rapporto tra 150.000 (Full Well Capacity) e 10 (Readout Noise), di gran lunga superiore al range dinamico del miglior film fotografico. Maggiore è la capacità elettronica per pixel di un CCD, minore è l'impatto del rumore fotonico (il flusso dei fotoni incidenti segue la legge di Poisson) con conseguente beneficio per le immagini planetarie.
I vantaggi di una maggiore capacità elettronica sono ancor più evidenti ove si pensi che occorrerà un maggior tempo di integrazione per saturare i pixel esposti alla luce di maggior intensità incidente. Una volta raggiunta la saturazione, i fotoelettroni in eccesso si spargeranno sui pixel adiacenti (preferibilmente lungo le colonne) dando luogo al noto fenomeno del blooming. Molti CCD sono oggi dotati di anti-blooming, un dispositivo in grado di effettuare il drenaggio automatico delle cariche in eccesso, impedendo a quest'ultime di raggiungere i pixel adiacenti.

5.3 Linearità del CCD

Il CCD è un rivelatore perfettamente lineare (la linearità è di solito migliore dello 0.01%). In pratica ciò significa che il numero di elettroni generati in un pixel è direttamente proporzionale alla quantità di luce incidente.
Ne derivano numerosi vantaggi rispetto alla fotografia tradizionale:

- La soglia minima di rivelazione è data dal rumore medio complessivo presente nell'immagine. Se il rumore è molto basso il CCD sarà in grado di rivelare dettagli estremamente deboli.
- Il CCD non soffre dell'effetto Schwarzschild e quindi manterrà la stessa sensibilità ed efficienza quantica indipendentemente dalla durata dell'esposizione.
- La linearità consente di effettuare misure dirette di luminosità degli oggetti (fotometria di precisione).

5.4 Corrente nera (Dark Current)

Tutti i sensori CCD hanno la proprietà di produrre e accumulare spontaneamente elettroni, anche quando la loro superficie è schermata dalla luce incidente. A riposo il sensore continua a produrre elettroni fino a saturare completamente i livelli di capacità dei pixel. E' pertanto logico azzerare le cariche prodotte spontaneamente dal sensore prima di iniziare una nuova esposizione.
Ma la produzione spontanea di elettroni continua anche durante l'esposizione. Ciò significa che nei pixel si accumuleranno sia fotoelettroni prodotti dalla luce incidente sia elettroni prodottisi spontaneamente. E' impossibile distinguere gli uni dagli altri.
Fortunatamente, però, gli elettroni prodotti spontaneamente hanno caratteristiche tali da permettere di eliminare quasi interamente il loro effetto negativo.


- Il fenomeno della Dark Current è perfettamente riproducibile. In identiche condizioni di temperatura e di durata di una esposizione, un dato sensore genera sempre lo stesso numero di elettroni a meno di un fattore di dispersione statistica (Rumore Termico), variabile a seconda del tipo di sensore impiegato.
- La quantità di cariche elettriche generate è quasi proporzionale al tempo di integrazione. - La Dark Current prodotta dipende fortemente dalla temperatura del sensore: la sua intensità diminuisce in genere di un fattore 2 per ogni 6°C in meno di temperatura del sensore. Per questa ragione essa viene anche chiamata Corrente Termica (Thermal Current) e le cariche prodotte si chiamano Cariche Termiche (Thermal Charges). Possiamo quindi eliminare questo problema se operiamo in un modo appropriato.

Ecco i passi:


- Abbassare la temperatura di esercizio del sensore (i CCD sono normalmente raffreddati termoelettricamente).
- Fare un'esposizione (Dark Frame), con il CCD schermato dalla luce, di durata uguale a quella usata per la normale ripresa (Light Frame), avendo cura che la temperatura del sensore sia la stessa.
- Sottrarre il Dark Frame dal Light Frame.

La procedura è approssimata, ma generalmente sufficiente per ottenere un'immagine astronomica non eccessivamente disturbata dal Segnale Termico accumulatosi nei pixel durante l'integrazione. Abbiano eliminato il Segnale Termico ma non gli effetti del Rumore Termico associato alla dispersione probabilistica delle cariche termiche, un valore pari alla radice quadrata del numero degli elettroni termici prodotti.
Il Rumore Termico non può essere eliminato. Il suo effetto principale è quello di rendere impossibile la rivelazione di dettagli astronomici deboli la cui intensità, espressa in numero di fotoelettroni, risulti inferiore al valore del Rumore Termico presente nell'immagine.

Fortunatamente, oggi, alcuni moderni ccd hanno una produzione di cariche termiche piuttosto bassa anche a temperatura ambiente. Questi CCD, raffreddati a ­30°C, producono meno di un elettrone al secondo, poco più di 200 elettroni in una posa di 5 minuti.
Ciò da luogo a un Rumore Termico di meno di 15 elettroni, più o meno pari al Rumore di Lettura (Readout Noise) dovuto all'elettronica della camera CCD, valore piuttosto basso se confrontato con quello esibito da alcuni CCD professionali tuttora in uso.