Le sorgenti di rumore nei sensori d’immagine CCD

Quando un sensore CCD riprende un’immagine, con essa viene acquisito anche del rumore, come se fosse anch’esso un segnale utile, ma di fatto degradando le prestazioni delle riprese video e fotografiche e quindi la qualità delle immagini. Il principale problema nel trattamento della risoluzione della riduzione del rumore, è il fatto che gran parte del rumore è di tipo random e quindi impossibile da rimuovere completamente dall’immagine. Le principali tipologie di rumore che contribuiscono al degrado della qualità dell’immagine nei sensori CCD sono: lo shot noise, il Thermally generated noise, il Reset Noise, l’Output Amplifier Noise, il Clocking Noise e il Dark Current Noise.

Introduzione

L’obiettivo di ogni utilizzatore di videocamere digitali con sensori CCD, dagli appassionati di astronomia agli utenti commerciali e ai ricercatori scientifici, è quello di ottenere le migliori immagini possibili. Il dispositivo ad accoppiamento di carica CCD e il sistema elettronico del digital image processing hanno rivoluzionato il settore scientifico del trattamento delle immagini, comprendente anche l’astrofotografia, rendendo possibile agli appassionati di ottenere ottime riprese video e fotografiche con attrezzature non costose, anche a livello professionale, consentendo risultati molto soddisfacenti impensabili fino ad una decina di anni fa. Il successo della tecnologia dei sensori CCD ha reso possibile il sempre più incremento di appassionati, hobbisti e professionisti della digital image, ma questo risultato si è ottenuto non senza le relative problematiche e criticità. Le sfide che hanno impegnato e tuttora impegnano i professionisti dell’acquisizione e del trattamento delle immagini, sono costituite dai requisiti di un alto range dinamico e di basso rumore che deve garantire un ottimo dispositivo CCD. Per questo motivo è di estrema importanza la comprensione, la valutazione e le necessarie tecniche relativamente alla soppressione delle sorgenti di rumore nei dispositivi CCD, in quanto solo il rispetto di tali requisiti può garantire le alte prestazioni di una videocamera e conseguentemente la qualità delle immagini.

Shot noise (il rumore nell’immagine stessa)

La detezione dei fotoni da parte del dispositivo CCD è un processo statistico. Se le immagini vengono acquisite in molti periodi di tempo, allora l’intensità (il numero di fotoni registrati) non sarà la stessa per ogni immagine ma varierà leggermente. Se viene preso un numero sufficiente di immagini, si potrà osservare che la deviazione dell’intensità per ogni immagine segue proprio la legge della distribuzione di Poisson. In effetti non possiamo essere sicuri che l’intensità che è stata misurata in una particolare immagine rappresenta proprio la reale intensità, come sappiamo che questo valore si discosta dal valore medio. Proprio questa deviazione di intensità viene considerata essere il rumore associato con l’immagine. Quindi sapendo che la deviazione di intensità segue la legge di distribuzione di Poisson, allora noi sappiamo che probabilmente tale deviazione sarà più o meno la radice quadrata dell’intensità del segnale misurata. Quindi, se misuriamo l’intensità di un segnale di un centinaio di fotoni, allora il rumore su questo segnale sarà 10 fotoni. Se misuriamo l’intensità di un segnale di un migliaio di fotoni nell’immagine, allora il rumore su questo segnale sarà circa di 31 fotoni. In definitiva, lo Shot Noise, essendo il rumore associato all’arrivo randomico di fotoni verso qualsiasi detector, esso rappresenta il limite fondamentale naturale riguardo le prestazioni relativamente al livello di rumore nei sistemi di rivelazione di luce.

Thermally generated noise (rumore termico)

All’interno del dispositivo CCD si generano ulteriori elettroni, non a causa dell’assorbimento di fotoni, ossia del segnale incidente la superficie del rivelatore, ma dal processo fisico all’interno dello stesso CCD. Il numero di elettroni generato in un secondo dipenderà dalla temperatura operativa del CCD e quindi questo rumore è noto come rumore termico (qualche volta anche noto come dark noise). Come per la rivelazione del segnale, non verrà generato lo stesso numero di elettroni in periodi equivalenti poiché anche per il rumore termico varrà la legge di distribuzione di Poisson. Il dark noise, o dark current, è un tipo di rumore relativamente semplice da gestire utilizzando delle tecniche standard di calibrazione dell’immagine. Infatti la “Dark current” può essere rimossa mediante l’uso di un dark frame. La combinazione di più immagini è molto efficace nella mediazione delle variazioni di pixel casuali. Campi elettrici piani possono essere utilizzati per ridurre la non uniformità dei pixel e diminuire il rumore ottico nel sistema.

Reset Noise (o Readout noise)

Un altro tipo di rumore che limita le prestazioni del CCD è causato dal cosiddetto reset noise o readout noise. Il readout noise è il rumore dell’amplificatore all’interno del chip che converte la carica elettrica, ovvero gli elettroni, in tensione, infatti la carica elettrica  è Q= CV, ovvero la carica al nodo di uscita, C è la capacità al nodo di uscita all’ingresso dell’amplificatore, la tensione V è proprio la tensione convertita rilevata dal condensatore e trasferita in uscita dall’amplificatore operante come source follower. Nella figura 1 viene riportato lo schema tipico della sezione di uscita del sensore di immagini CCD. La carica elettrica presente in un pixel viene trasferita verso il nodo di uscita in cui avviene la conversione in volt mediante il condensatore di sense e l’amplificatore di uscita.

Figura 1: schema semplificato della sezione di uscita del CCD

 

Prima di misurare ogni pacchetto di cariche del pixel, il condensatore del CCD viene resettato ad un certo livello di riferimento chiamato VRD. In questo livello di tensione di riferimento c’è un’incertezza dovuta al rumore termico generato dalla resistenza del canale del FET all’interno degli strati fisici del sensore CCD. Questo tipo di rumore causato dal processo fisico di reset, viene stimato che produce circa 50 elettroni; per questo motivo molti produttori di camere CCD includono della circuiteria che elimina il reset noise. In molte camere CCD viene infatti utilizzato un doppio campionatore correlato (CDS), un circuito che misura per ogni pixel la differenza tra la tensione di reset e la tensione del segnale, eliminando così la necessità di resettare la tensione allo stesso livello ogni volta. L’amplificatore all’interno del chip avrà una prestazione associata al rumore il cui andamento è tipicamente 1/f alle basse frequenze di campionamento, con un livello di rumore bianco alle più alte frequenza di campionamento. La frequenza di campionamento corrisponde alla velocità alla quale ogni pixel viene letto dal CCD. La figura 2 mostra la risposta del reset noise in funzione della frequenza di campionamento di un tipico dispositivo CCD. Si può rilevare come all’incremento della frequenza aumenta il valore efficace del readout noise.

Figura 2: valore RMS del readout noise in funzione della frequenza di campionamento

Output Amplifier Noise

In tutti gli amplificatori, alla loro uscita, oltre al segnale amplificato è [...]

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Una risposta

  1. Daniele Valanzuolo Daniele Valanzuolo 28 settembre 2017

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