Le camere CCD per l'acquisizione di immagini astronomiche

Una camera CCD (Charged Coupled Device - dispositivo di accoppiamento di carica) e' uno speciale apparecchio che si applica al telescopio per trasferire sul computer le immagini catturate dal cielo. A differenza di una normale pellicola fotografica si ha il vantaggio che il tempo di esposizione si riduce di molto (eliminando buona parte dei problemi di inseguimento dell’oggetto), ma soprattutto si ha la possibilita' di "correggere" le pose con opportuni programmi software, essendo le immagini cosi' ottenute in formato digitale, cioe' composte da numeri.
La camera CCD contiene una tabella (matrice) di migliaia di sottili cellule sensibili alla luce posizionate sopra un chip in silicio. Ciascuna cellula da' luogo ad un pixel, ossia un elemento dell’immagine che compare sullo schermo. Le piu' comuni camere CCD contengono 165 linee di 192 cellule ciascuna; la nuova SX-L8 fornisce immagini in bianco e nero di dimensione 512x512 pixel.

Le camere CCD trasferiscono il segnale luminoso associando ad ogni pixel un numero in una scala, detta range, di 4096 valori (per le CCD con risoluzione a 12 bit), ciascuno dei quali rappresenta un tono di grigio della scala di luminosita', come se si andassero a contare quanti fotoni sono caduti in ciascuna cellula.
Un’immagine grezza consiste in una matrice di numeri, sulla quale si puo' operare sommando, sottraendo, moltiplicando o comparando i valori, fino ad ottenere un’immagine ottimale. Un’immagine raccolta con la CCD contiene una elevata quantita' di informazioni che possono non apparire ad un primo sguardo ma possono essere recuperate con l’aiuto di operatori o filtri che, agendo sui numeri, hanno il compito di ripulire l’immagine dalle interferenze del segnale e di accrescere i particolari piu' interessanti.
A differenza delle tecniche tradizionali di fotografia che non riescono a raggiungere questo risultato, l’uso di immagini digitalizzate permette di operare su numeri, utilizzando tutte le tecniche del calcolo matriciale.

Perche' bisogna pulire un’immagine
In una CCD ideale ciascuna cellula fotosensibile dovrebbe avere la stessa sensibilita', e il segnale si dovrebbe trasmettere senza interferenze dallo strumento al computer, ma nella realta' non e' cosi'. Le principali difficolta' sono dovute alle imperfezioni delle lenti o dello specchio del telescopio, ai problemi elettronici che riguardano la trasmissione dei dati, e soprattutto alla temperatura della CCD (anche se in generale le camere CCD sono fornite di strumenti di raffreddamento). I dati grezzi appena raccolti presentano, rispetto al "numero dei fotoni", una alterazione costante ed una casuale. Per risolvere i problemi di natura elettronica si prende una posa in cui la luce non cade nel telescopio (dark frame), ottenuta con il telescopio coperto e avente lo stesso tempo di esposizione dell’immagine da correggere; per i problemi di natura ottica bisogna prendere una posa uniforme di bianco, ottenuta per esempio ponendo il telescopio davanti ad un pannello, del tipo di quelli per diapositive (flat field). Queste due pose vanno sottratte, numero per numero, dall’immagine da correggere.
Piu' difficile e' risolvere il problema della temperatura che fa muovere in maniera casuale gli atomi delle cellule sensibili. Non basta sottrarre determinate pose. Occorrono invece appositi filtri che utilizzando i numeri della matrice eliminino in maniera statistica i problemi, o in prima approssimazione facciano la media di piu' pose dello stesso oggetto.

M51: prima l'immagine originale, poi quella elaborata
Autore: Giuseppe Sala - CCD Starlight Xpress SXL8

Come migliorare le immagini
I programmi per elaborare immagini CCD operano, in generale, sostituendo ciascun numero con un altro tutte le volte che questo compare. Solitamente le immagini risultano troppo scure o troppo chiare, oppure i grigi si addensano in una tonalita': i filtri detti "di riscalamento lineare" le stirano fino a farle essere piu' luminose e piu' contrastate, occupando tutta la scala di valori da 0 (nero) a 4096 (bianco). Quando invece l’immagine gia' occupa l’intera scala di luminosita' ma si vogliono evidenziare dettagli piu' interessanti nei toni chiari o nei toni scuri, per esempio i bracci esterni di una galassia o i particolari della luna o dei pianeti, si possono usare "riscalamenti logaritmici o esponenziali". Altre volte le immagini presentano delle caratteristiche fastidiose, come il fondo cielo sale-e-pepe (dovuto generalmente a interferenze nella trasmissione del segnale dalla CCD al computer), oppure la sovraesposizione di alcune parti gia' luminose per ricevere informazioni da oggetti deboli. Si ha l’opportunita' di mascherare quei dati che altrimenti catturerebbero l’attenzione: basta chiedere al programma di sostituire i numeri sotto (o sopra) una certa soglia con un valore scelto da noi. La tecnica di mascheramento (masking) non falsifica l’immagine, non e’ un fotomontaggio, e' soltanto un’operazione di pulizia della posa. Ultimi ed importantissimi sono i filtri "di convoluzione" che operano comparando il valore di ciascun pixel con quelli dei pixel circostanti: e' il tipo di filtro che si usa per eliminare le interferenze, di natura casuale, dovute alla temperatura della CCD, ma permettono anche di mantenere le variazioni di luminosita' di piccola scala (filtri passa-alto), rendendo i contorni piu' marcati, oppure di attutire i contrasti (filtri passa-basso).

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