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Technological transfer

Progetto PRISMA

Ufficio di Innovazione Tecnologica (UIT) - Progetto PRISMA

Progettazione e realizzazione di controllori per CCD con applicazioni nel campo del monitoraggio terrestre a grande campo e alta risoluzione

Idea di Base

Con l’avvento dei nuovi telescopi di grandi dimensioni che prevedono l’utilizzo sul piano focale di centinaia di rivelatori, si è fatta sempre più pressante l'esigenza di avere un elevato grado di integrazione dei componenti analogici e digitali che costituiscono il controllore elettronico, in modo da avere maggiore compattezza, minori consumi ed elevata affidabilità.

In diversi osservatori astronomici di tutto il mondo sono attualmente in corso studi per la realizzazione di camere fotometriche con grandi campi di vista equivalenti a mosaici con più di 200 CCD (vedi foto 1).

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Foto 1: Assemblaggio di un mosaico di 40 CCD da utilizzare come rivelatore di piano focale del telescopio Franco-Canadese di 4 m installato alle Hawaii

 

Per pilotare un gran numero di CCD, utilizzare componenti elettronici commerciali comporterebbe un ingombro elevato ed una moltitudine di collegamenti che pregiudicherebbero l’affidabilità dell’intera camera.

Disporre di un chip analogico del tipo ASIC che integra in se tutte le funzioni necessarie per il condizionamento dei segnali video CCD e di un circuito elettronico integrato del tipo programmabile detto FPGA ad elevatissima scala di integrazione (ovvero costituito da miliardi di transistori) che può sostituire circuiti elettronici complessi, non solo risolve i problema della gestione di molti CCD ma può essere utilizzato con grande profitto nel caso di singoli CCD sia per applicazioni scientifiche che commerciali, in quanto riduce il consumo, gli ingombri e ne aumenta l'affidabilità.

L’obiettivo principale è stato quello di coniugare la ricerca astrofisica con la crescita tecnologica di imprese e realtà industriali del Mezzogiorno.


Il laboratorio “Rivelatori e Microelettronica” dell’INAF-Osservatorio Astrofisico di Catania, chiamato COLD (Catania Astrophysical Observatory Laboratory for Detectors) ha una esperienza più che ventennale nel settore dello studio, progettazione, sviluppo e realizzazione di controllori elettronici per rivelatori da utilizzare nel campo astrofisica (vedi foto 2), nonché nel settore della caratterizzazione elettro-ottica di rivelatori.

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Foto2: Assemblaggio di CCD nella camera pulita presso il laboratorio COLD -INAF di Catania

L’altro obiettivo importante che ci si è proposti è stato quello di trasferire le conoscenze inerenti le metodologie usate per lo sviluppo di circuiti di microelettronica per applicazioni a bassissimo rumore ed elevate prestazioni.

Aspetti innovativi del prodotto

Il prodotto riduce drasticamente i circuiti elettronici necessari per realizzare un controllore CCD, riduce il consumo di potenza ed aumenta l'affidabilità.

Partners del progetto e Costi

L'azienda (PMI) selezionata per tale attività di trasferimento tecnologico è la E-SERVICE di Misterbianco – CT, che opera nella provincia di Catania con cui il nostro gruppo ha già collaborato per realizzare circuiti elettronici in grado di pilotare rivelatori di singolo fotone del tipo SPAD. Tale azienda è formata da giovani ingegneri che hanno anche maturato esperienza in aziende di semiconduttori.

I costi (157.000 Euro) del progetto sono stati essenzialmente rivolti alla progettazione elettronica e realizzazione del progetto esecutivo del chip ASIC e alla progettazione ed implementazione su FPGA del circuito prototipo di controllore per rivelatori CCD.


Risultati Ottenuti

Il progetto nel suo complesso prevedeva due anni di attività: uno di progettazione del chip ASIC e del dispositivo FPGA ed uno di realizzazione della scheda elettronica che doveva ospitare sia un certo numero di chip ASIC che il dispositivo FPGA in modo da formare tutto il controller CCD in grado di pilotare un certo numero di CCD.

In questo solo anno di attività, due sono stati i risultati ottenuti: il progetto esecutivo, ovvero il layout pronto per essere realizzato da una Silicon foundry europea (vedi foto 3 e 4) del chip ASIC,

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Foto 3: Fase di progettazione del chip ASIC.

 

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Foto 4: Layout del chip ASIC.

ed il circuito sequencer su FPGA sviluppato sulla piattaforma della ditta Xilinx (vedi foto 5 in basso a destra durante il collaudo) leader mondiale in questo settore.

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Foto 5: Circuito sequencer su FPGA sviluppato sulla piattaforma della ditta Xilinx n basso a destra (durante il collaudo).

 


Nelle foto 6 e 7 sono mostrate alcune fasi del collaudo del controllore di CCD implementato su FPGA in grado di generare le tensioni di polarizzazioni ed i segnali necessari per fare funzionare un CCD.

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Foto 6: Fase di collaudo del controllore di CCD implementato su FPGA.

 

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Foto 7. Fase di collaudo del controllore di CCD implementato su FPGA.

Possibili campi applicativi

Il prodotto potrà essere utilizzato oltre che per applicazioni scientifiche come l'astronomia o la diagnostica medica per immagini anche per applicazioni commerciali come per esempio la video-sorveglianza in condizioni ostili e dove è richiesto un basso ingombro.




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