Il BIAS FRAME

Il BIAS FRAME altro non è che un DARK FRAME, ovvero un'immagine CCD ripresa con tutte le ottiche coperte da uno schermo nero, con tempo d'esposizione nullo. In molte camere CCD, come nelle DSLR, il tempo d'esposizione nullo non esiste: in tal caso una buona approssimazione può essere il tempo minimo d'esposizione permesso dall'hardware o dal software. Ad esempio la camera Apogee Ap7p in dotazione all'Osservatorio di Cavezzo permette esposizioni minime di 0,02 secondi, quanto basta per rendere trascurabile la minima quantità di corrente di buio creata nei due centesimi di secondo d'esposizione. Piuttosto, è di gran lunga più importante la corrente di buio accumulata negli ultimi pixel scaricati durante i secondi necessari alla lettura del CCD che non è mai istantanea, soprattutto quando i chip sono di grosse dimensioni ( es. > di 1 megapixel): questo può portare alla formazione di un gradiente di luminosità nel senso verticale dell'immagine.

Come abbiamo già visto introducendo il DARK FRAME, l'utilizzo principale del BIAS FRAME è quello di ricavare il THERMAL FRAME che è l'unica componente dell'immagine CCD che è direttamente proporzionale al tempo d'esposizione e/o alla temperatura d'esercizio del CCD. Da questo è possibile "riscalare" (moltiplicando i pixel per un'opportuna costante) un THERMAL FRAME di un dato tempo d'esposizione per ricavarne un altro con un differente tempo d'esposizione equivalente. Tuttavia, quando se ne ha la possibilità è sempre conveniente riprendere i DARK FRAME con lo stesso tempo d'esposizione utilizzato per riprendere le immagini GREZZE.

Un altro non meno importante utilizzo del BIAS FRAME è la possibilità che ci dà di effettuare una prima diagnostica della nostra camera CCD.

Nell'immagine sopra è possibile vedere un BIAS FRAME "ideale": un perfetto "tappeto" di rumore uniforme senza alcuna struttura o variazione di luminosità. L'istogramma è una sottile campana simmetricamente centrata sul valore medio (in questo caso 3145). Tracciando un profilo verticale (utilizzando il comando Visualizza > Profilo di Astroart) si ottiene un grafico perfettamente orizzontale oscillante ancora una volta nell'intorno del valore medio precedente.

Nell'immagine sotto vediamo invece un BIAS FRAME un po' più realistico e con alcuni difetti non del tutto trascurabili: innanzi tutto, le prime 3-4 righe di pixel in alto sono più luminose, identificando una probabile zona di accumulo di cariche; in secondo luogo, al semplice colpo d'occhio, è evidente una "struttura" più o meno regolare a linee orizzontali generate da interferenze elettromagnetiche e un chiaro gradiente di luminosità che intensifica queste linee mano a mano ci si avvicina alle ultime righe in basso del BIAS FRAME. Queste righe più luminose sono la causa della "gobba" a destra della campana visibile nell'istogramma. Tracciando poi il profilo verticale dell'immagine risulta poi ancor più evidente la presenza di un gradiente di luminosità causato dall'accumulo di cariche termiche durante il "download" dell'immagine dal CCD al PC.


E' chiaro che più ci si avvicina alla situazione ideale e "migliore" sarà la nostra camera CCD. Esiste però un parametro fondamentale, intrinsecamente legato al BIAS FRAME, che ci può dare una prima importante informazione sulle immagini che possiamo ottenere con la nostra camera CCD: il readout noise o "rumore di lettura". Come vedremo, il rumore di lettura è una delle principali sorgenti di rumore presenti in un'immagine CCD ed è strettamente legato all'effettiva dinamica ottenibile da una camera CCD.

Per il momento vediamo come possiamo stimare il rumore di lettura della nostra camera CCD utilizzando una serie di BIAS FRAME.

Ovviamente tutte le immagini digitali "nascondono" tra i pixel un rumore di lettura: il BIAS FRAME perfetto è quello che più si avvicina alla sua struttura, tuttavia come abbiamo visto, difficilmente possiamo avvicinarci alla perfezione: esiste sempre qualche segnale indesiderato di disturbo. Per minimizzare questi segnali indesiderati possiamo ricorrere ad una stratagemma: riprendiamo alcuni BIAS FRAME (una decina possono andare bene); uno lo teniamo da parte mentre degli altri nove otteniamo un "master" BIAS FRAME ovvero li combiniamo insieme facendone la mediana (ad es. utilizzando il comando Strumenti > Pretrattamento di Astroart).

Ora sottraiamo la mediana dal singolo BIAS FRAME: ciò che otteniamo è un READ NOISE FRAME ovvero una riproduzione del solo rumore di lettura della nostra camera CCD (immagine sopra). Anche se purtroppo rimane amcora traccia delle strutture orizzontali causate dai disturbi elettromagnetici, queste in realtà sono di debole intensità come ci conforta la visione dell'istogramma rappresentato da una campana quasi perfetta. Come abbiamo già visto, la deviazione standard, ovvero l'ampiezza della campana, ci dà una stima numerica del rumore presente nel frame, circa 2,7 ADU (l'ADU è l'unità utilizzata per indicare il valore del pixel dopo la digitalizzazione, ovvero dopo la trasformazione da una differenza di potenziale ad un numero intero determinato dal convertitore analogico-digitale della camera CCD). Ma il rumore di lettura viene di solito riportato dalle case costruttrici in elettroni (per pixel): per trasformare il valore da ADU al corrispondente valore di elettroni occorre conoscere il gain della camera CCD, anch'esso spesso riportato nel foglio delle caratteristiche della camera CCD, ovvero a quanti elettroni corrisponde 1 ADU. Per l'Apogee Ap7p in dotazione all'Osservatorio di Cavezzo il gain è 4,4 e-/ADU che moltiplicato per 2,7 corrisponde a circa 11,9 e- di readout noise (il data-sheet dell'Apogee dichiara 10,2 e-).