Cosa sono i sensori CCD e perché ci aiutano ad osservare le stelle

I dispositivi ad accoppiamento di carica, chiamati anche CCD (dall'inglese Charge Coupled Device), sono circuiti integrati in grado di accumulare carica elettrica in modo proporzionale all'intensità di radiazione elettromagnetica che li colpisce. Un CCD è un circuito contenente una matrice di condensatori collegati (o accoppiati). Sotto il controllo di un circuito esterno ogni condensatore può trasferire la sua carica elettrica a un condensatore vicino. Sono una delle principali tecnologie utilizzate nell'imaging digitale e, sebbene non siano l'unica tecnologia che consente il rilevamento della luce, vengono utilizzati per varie applicazioni professionali e scientifiche in cui sono richieste immagini di alta qualità. In questo articolo parleremo del motivo per cui sono ampiamente utilizzati nel campo della fotografia astronomica sia professionale (per esempio nel caso del Telescopio Spaziale Hubble e il telescopio Pan-STARRS) che amatoriale.

Introduzione

Facciamo alcuni passi indietro e introduciamo brevemente un campo di applicazione dell'astronomia chiamato osservazione astronomica. Anticamente l'astronomia consisteva solo nell'osservazione a occhio nudo dei corpi celesti e nella mappatura di questi per poterne studiare il movimento rispetto alla Terra (ciò che ora viene chiamata astrometria) che permise di elaborare le prime teorie sui movimenti di questi corpi. Come dimenticare il sistema Tolemaico? O teoria geocentrica dove si considerava la Terra come centro dell'Universo e che ha costituito il sistema cosmologico di molte delle civiltà antiche, tra cui quella dell'antica Grecia. Questa teoria venne successivamente stravolta in età moderna da Copernico e Galileo con lo sviluppo del primo telescopio. Naturalmente, questa piccola descrizione è una briciola della storia dell'astronomia che ci è utile per entrare un pò nel contesto di questo articolo. Adesso l'osservazione astronomica avviene sia per via diretta attraverso strumenti come i telescopi o per via indiretta, ad esempio con l'ausilio di fotografie. Infatti, l'astrofotografia ha lo scopo di raccogliere dati riguardo l'universo osservabile, dati che vengono studiati dagli astrofisici per comprendere i fenomeni che interessano l'Universo e i corpi che lo abitano. Queste pratiche non coinvolgono solo gli scienziati ma anche un vasto numero di astrofili che approcciano all'osservazione astronomica e all'astrofotografia in modo amatoriale per il piacere di scrutare l'universo in prima persona.

Questo articolo ha lo scopo di introdurre un particolare tipo di tecnologia utilizzato nella fotografia astronomica: i sensori di immagine CCD. Questi sensori vengono utilizzati per vari tipi di applicazioni scientifiche e professionali perché permettono di ottenere immagini ad altissima definizione e nel caso dell'astrofotografia sono particolarmente indicati per le lunghe esposizioni, per esempio nel caso in cui si voglia fotografare un oggetto come una nebulosa. Infatti, è grazie a questa tecnologia che possiamo apprezzare le foto spettacolari che il Telescopio Spaziale Hubble ci ha regalato in questi anni. Oltre a descrivere nel modo più semplice possibile come funzionano i sensori CCD parleremo anche della loro applicazione in campo amatoriale e di alcuni famosi telescopi che utilizzano questa importante tecnologia.

Funzionamento

I dispositivi di accoppiamento di carica (CCD) sono circuiti integrati formati da matrici di condensatori MOS (chiamati pixel) fotosensibili che accumulano carica elettrica proporzionalmente alla radiazione elettromagnetica (cioè alla luce) che li colpisce, in modo da poter convertire questa carica elettrica in un'immagine digitale. Che cosa significa? Per descrivere in maniera efficace il loro funzionamento possiamo provare a fare una similitudine "idraulica". Pensiamo a un sensore CCD come a una matrice di secchi (i pixel) che raccolgono l'acqua piovana (i fotoni), i secchi sono esposti alla pioggia per lo stesso tempo, quindi ogni secchio si riempirà di una certa quantità di acqua. Ogni secchio deve essere "letto", quindi ogni riga di secchi viene riversata nella successiva finché non si giunge a una riga esclusivamente dedicata alla lettura. Il contenuto dei secchi, cioè l'informazione, si muove verso due direzioni chiamate seriale e parallela. La prima si riferisce allo spostamento lungo le colonne, mentre la seconda si riferisce allo spostamento lungo l'ultima riga della matrice, quella dedicata alla lettura. La quantità di "acqua" letta dal circuito esterno viene convertita in un numero da un Convertitore Analogico-Digitale (ADC), che può essere successivamente elaborato da un computer o memorizzato. Naturalmente si tratta di una semplificazione del modello reale. Adesso che abbiamo visualizzato più chiaramente il meccanismo di funzionamento possiamo approfondire il funzionamento del CCD.

Questa tecnologia si basa su un principio fisico molto importante chiamato effetto fotoelettrico. E' un fenomeno che coinvolge le superfici metalliche che emettono elettroni quando vengono irradiate da onde elettromagnetiche. Nel caso dei condensatori MOS che costituiscono i pixel dei sensori CCD, essi sono formati da uno strato di silicio che funge da regione fotosensibile dove è possibile "immagazzinare" i fotoni sotto forma di carica elettrica. Abbiamo bisogno di quantificare questa carica per poterla convertire in una sequenza di numeri da elaborare sotto forma di immagine, quindi abbiamo bisogno di spostare questi "pacchetti di carica" verso la regione dedicata alla lettura.

Trasferimento della carica tra condensatori MOS adiacenti

Figura 1: Trasferimento della carica tra condensatori MOS adiacenti

Nell'immagine vediamo in maniera semplificata come viene trasferita la carica elettrica tra condensatori MOS adiacenti. Fondamentalmente un condensatore MOS è costituito da tre parti fondamentali: uno strato superficiale costituito da un elettrodo metallico chiamato gate, indicato con G nell'immagine; il secondo strato è un isolante, si tratta tipicamente di Ossido di Silicio (SiO2), invece lo strato più in basso è fatto di silicio drogato p, cioè con atomi accettori di elettroni (il drogaggio del silicio è una pratica necessaria per aumentare le proprietà conduttive del materiale). Quando la luce colpisce i pixel viene colpito lo strato di silicio. Il gate del condensatore è carico positivamente in modo da poter attirare gli elettroni, questi vengono bloccati dallo strato isolante, quindi gli elettroni stazionano in posizione della carica positiva. A questo punto la tensione del gate adiacente viene fatta aumentare progressivamente e gli elettroni migrano nella direzione del potenziale più basso fino a quando il potenziale del gate precedente viene portato a zero (come nell'immagine sotto), trasferendo così tutti gli elettroni. Questa operazione viene iterata finché non viene raggiunta la sezione dedicata alla lettura. Ricordiamo che stiamo parlando di una matrice di pixel in cui avvengono due tipi di spostamenti, seriale e parallelo. Tramite il movimento parallelo la carica elettrica si sposta lungo le colonne della matrice mentre con il movimento seriale le cariche si spostano lungo l'ultima riga chiamata shift register. [...]

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4 Commenti

  1. Andrea Garrapa 5 Gennaio 2021
  2. Mariangela.Mone 6 Gennaio 2021
    • Federica Caputo 6 Gennaio 2021

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