Caratterizzazione di una camera CCD

L'acquisto di una camera CCD ad alte prestazioni è spesso un processo difficile e confuso; due strumenti con specifiche apparentemente identiche possono rivelare prestazioni completamente diverse durante un confronto diretto. Ma spesso è difficile eseguire questo confronto ravvicinato, oltre ad essere un sistema costoso e che richiede molto tempo. Un approccio alternativo è quello di lasciare l'onere della prova tecnica al produttore; in questa maniera si esegue una procedura standardizzata per fornire dati sulle prestazioni verificabili come, per esempio, il rumore di lettura. Questo articolo vuole essere una guida per permettervi di verificare che il vostro sensore funzioni come garantito dal costruttore.

Introduzione

Quando si effettua un acquisto costoso, ci si vuole sempre accertare che funzioni. Fortunatamente, il metodo per la verifica delle prestazioni delle camere CCD esiste già da diversi anni. Si tratta di una procedura nota come curva di trasferimento fotonica (PTC) ed è lo stesso metodo utilizzato dal Goddard Space Flight Center e dal Jet Propulsion Laboratory della NASA, oltre che dai produttori di camere CCD di tutto il mondo. Con questo sistema vengono verificati i dati sulle prestazioni quantitative e verificabili come il rumore di lettura, la dark current, la sensibilità e, soprattutto, il guadagno e la linearità del sensore. Un altro metodo per la misurazione del rumore di un CCD è il metodo Gudehus - Hegyi. Il metodo Gudehus - Hegyi consiste nel misurare l’efficienza del trasferimento di carica di un CCD concentrando spot luminosi su singoli pixel. Effettuando diverse misurazioni e variando la posizione e l’intensità del punto si deriva una formula analitica che tiene conto di tutte le proprietà del CCD e consente la separazione dei vari parametri.

Si utilizza una lampada molto stabile e si ripete l’esperimento molte volte, in modo da aumentare il rapporto segnale/rumore e poter così studiare la linearità del CCD, cioè la capacità di un rivelatore di fornire sempre un segnale di risposta linearmente proporzionale alla radiazione incidente. Come si intuisce dalla spiegazione del metodo, il Gudehus - Hegyi necessita di conoscenze specifiche più approfondite; non tutti i possessori di una camera CCD necessitano di questo tipo di approfondimento, quindi ci concentreremo sul metodo della PTC. Una caratteristica non misurabile con la PTC, che andrà quindi misurata a parte, è la linearità del sensore, ovvero la caratteristica che indica che il numero di elettroni generati in un pixel è direttamente proporzionale alla quantità di luce incidente. Questa è importante per verificare che la sua risposta sia sempre la stessa e non dipenda dall'intensità. Ricordiamo che una camera CCD si compone, oltre che del dispositivo CCD, di un'elettronica che governa la camera, un sistema di alimentazione, un sistema di controllo dello shutter, un sistema di controllo del dispositivo per il raffreddamento del CCD ed un sistema di lettura. Con il metodo PTC si vuole analizzare le caratteristiche del solo sensore CCD.

Teoria della misura

Il circuito di uscita del CCD converte i pacchetti di elettroni provenienti dai vari pixel in un voltaggio, ovvero in un segnale. Questa conversione determina una delle caratteristiche intrinseche del sensore, il rumore di lettura. Il segnale viene poi amplificato ed inviato ad un convertitore analogico digitale (ADC) che trasforma il valore della tensione del segnale in un numero digitale espresso in ADU (Analog Digital Units); questo valore, che il computer legge, sarà quello che servirà per la nostra misura, insieme alla sua deviazione standard, che ne rappresenta il rumore. Nei sistemi basati sui sensori CCD è necessario aumentare il segnale di una certa quantità altrimenti, a causa del rumore di lettura, si possono avere segnali negativi che vengono trasferiti al convertitore; si tratta di un “offset” elettronico, detto BIAS, determinato semplicemente acquisendo una immagine ad otturatore chiuso e tempo di esposizione nullo.

Metodo della “photon transfer curve”

La curva di trasferimento del fotone (Photon Transfer Curve o PTC) di un CCD rappresenta la varianza temporale delle immagini uniformi in funzione della loro mediana, cioè il rumore.

Figura 1: Profilo di rumore all’uscita di un sensore

Nel grafico in Figura 1 è possibile distinguere le distinte regioni di rumore del sistema: rumore di lettura, nella regione del grafico piatta iniziale, shot noise, in cui verifichiamo che aumentando la luce in ingresso il rumore aumenta come la radice quadrata del segnale, rappresentata da una curva con pendenza 1/2, ed infine la parte del full-well noise, che sarà dominante nel momento in cui satura il segnale. Il rumore termico sarà ininfluente, visto il raffreddamento del sensore. Il pattern noise, invece, sarà eliminato sottraendo due flat field; in questa maniera si eliminano le variazioni di pattern fisse, perché presenti in ogni immagine. Con il pattern noise eliminato e la zona di shot noise estesa dal momento in cui la CCD entra nella regione di linearità, la PTC ha, come abbiamo già detto, una pendenza di ½ fino alla zona di full-well. Una volta misurato il rumore a ciascun livello di illuminazione, la PTC viene generata tracciando il rumore in uscita rispetto al livello medio del segnale su una curva logaritmica.

Strumentazione

Esistono diversi metodi per effettuare la misura della PTC; poiché i CCD sono largamente utilizzati per l'astrofotografia, uno dei metodi consiste nell'utilizzare un telescopio come tubo collimatore e l'applicazione di un diffusore all'apertura del telescopio. Tuttavia, non è l'unico uso che si può fare di una camera CCD; preferiamo quindi concentrarci su un metodo più generale.

  • Sorgente Stabilizzata: si tratta di una lampada che crea una luce bianca stabilizzata con un’intensità costante;

Figura 2: Schema di funzionamento di una sfera integratrice

  • Sfera Integratrice: è una sfera cava con superficie interna perfettamente diffondente, che consente la riflessione totale della luce; è realizzata in modo tale che la fessura attraverso cui passano le radiazioni luminose sia a tutti gli effetti un corpo nero (vedi Figura 2);
  • Banco Ottico;
  • Tubo collimatore.

Non sempre si dispone di questo materiale, o si è disposti a comprarlo; a volte il gioco non vale la candela. Tuttavia, è possibile sostituire questa attrezzatura con altra più "casalinga", anche se ovviamente otterremo risultati meno precisi:

  • una lampada (più stabile possibile);
  • un diffusore (es. un filtro diffusore, o un foglio di carta opportunamente sagomato);
  • un tavolo;
  • un tubo (scuro e opaco, non riflettente).

Descrizione della misura

Sperimentalmente, la PTC si ricava effettuando una serie di esposizioni con illuminazione uniforme a varie intensità. Per fare ciò, si associa la sorgente alla sfera integratrice e in uscita si posiziona il collimatore, in maniera che alla CCD arrivi un fronte d’onda piano. Se la sorgente consente di variare l'intensità, si effettuano misure a intensità variabile; altrimenti si variano i tempi di esposizione. Poiché stiamo analizzando il metodo in maniera che sia replicabile anche senza materiale particolarmente costoso, tratteremo la misura come se non potessimo variare l'intensità. Non c'è necessità di utilizzare particolari software di acquisizione, ma per la misura sono necessari file .fits, che consentono di effettuare calibrazioni fotometriche; generalmente basta usare il software nativo del CCD, che in genere salva automaticamente in questo formato. Per determinare la PTC, quindi, si prendono immagini a diversi tempi d’esposizione (vedi Figura 3), partendo da un livello di segnale molto basso fino al livello di saturazione, e si riportano in grafico i valori medi dell'intensità confrontati con il rumore. [...]

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3 Commenti

  1. Andrea Garrapa Andrea Garrapa 7 Gennaio 2021
  2. Mariangela.Mone 9 Gennaio 2021

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