Che cos'è una telecamera CCD?
Una fotocamera CCD è qualsiasi tipo di fotocamera digitale con un sensore di immagine CCD (Charge Coupled Device). Ciò include la stragrande maggioranza delle fotocamere fisse e professionali, videocamere, videocamere di sicurezza, videocamere per telefoni cellulari e videocamere mediche. I CCD sono molto efficienti, in genere catturano circa il 70 percento della luce incidente, diversamente dalla pellicola fotografica che risponde solo a circa il due percento della luce incidente. I CCD sono anche sensibili alla luce infrarossa, che li rende ideali per le telecamere di sorveglianza a visione notturna e le applicazioni di astronomia. Mentre alcune fotocamere utilizzano un sensore di immagine a semiconduttore a ossido di metallo (CMOS) complementare, il CCD è il tipo più comune.
La maggior parte delle fotocamere CCD utilizza un dispositivo accoppiato a singola carica per raccogliere dati di immagini, indipendentemente dal fatto che la fotocamera sia progettata per il funzionamento monocromatico, a colori o infrarossi. In questo caso, la luce entra attraverso l'obiettivo, viene filtrata e quindi focalizzata sulla superficie di un singolo array di sensori di immagini fotoelettriche. Molte videocamere professionali, note come "tre CCD" o "tre chip", contengono tre array CCD. Con questi, la luce in arrivo viene suddivisa da un prisma nei suoi componenti rosso, verde e blu, ciascuno focalizzato sul proprio sensore CCD. Ciò migliora la separazione dei colori e aumenta la sensibilità alla luce, con conseguente ombreggiatura dei colori più accurata in generale e maggiori dettagli in situazioni di scarsa illuminazione.
Fax, scanner e altri tipi di telecamere a scansione lineare utilizzano un sensore di immagine CCD monodimensionale per raccogliere dati, spostando il sensore o l'oggetto da scansionare per catturare l'intera immagine. Ogni altro tipo di telecamera CCD utilizza una matrice ad area bidimensionale fissa. Il sensore CCD è un array di condensatori fotoattivi accoppiati che accumulano cariche in base all'intensità, durata e lunghezza d'onda della luce focalizzata su di essi. Una volta esposto a un'immagine, il controller del sensore sposta la carica di ciascun condensatore al suo vicino nell'array. Questo crea un effetto a catena su tutta la matrice, spostando l'ultimo set di cariche off-chip su un digitalizzatore separato; questo digitalizzatore li converte in valori numerici da memorizzare nella memoria della fotocamera.
Il modo in cui la telecamera CCD memorizza e recupera i dati delle immagini influisce in genere sulla progettazione del sistema. Il metodo full frame utilizza l'intero CCD per la raccolta della luce e richiede un otturatore meccanico per evitare sbavature quando i dati dell'immagine vengono trasferiti off-chip. Questo design è ideale per raccogliere la maggior quantità di luce e l'immagine migliore è più importante del costo, del tempo e del consumo energetico. Il metodo interline utilizza ogni altra colonna del CCD per memorizzare rapidamente i dati di carica delle immagini con uno spostamento di un pixel, evitando sbavature e rimuovendo la necessità di un otturatore meccanico a costo dell'efficienza. In alternativa, il metodo di trasferimento del telaio può essere implementato con una quantità accettabile di sbavature e senza otturatore meccanico. Il trasferimento di frame utilizza metà del CCD per l'archiviazione e il recupero della carica, mentre l'altra metà sta accumulando una nuova immagine, quindi richiede il doppio della quantità di silicio per gestire l'immagine della stessa dimensione.
Le telecamere CCD specializzate sono utilizzate in astronomia perché sono sensibili alle lunghezze d'onda della luce, dall'ultravioletto all'infrarosso. Sono così sensibili, infatti, che devono essere prese molte misure aggiuntive per ridurre la quantità di "rumore" che distorce l'immagine, incluso il raffreddamento del CCD a temperature di azoto liquido. Con la giusta quantità di compensazione ed elaborazione delle immagini, l'astrofotografia di qualità da osservatorio è diventata accessibile a dilettanti seri e dedicati armati di attrezzature per telecamere CCD.