Charge Coupled Device - OfficinaTurini

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A charge-coupled device (CCD) is a device for the  movement of electrical charge, usually from within the device to an area  where the charge can be manipulated, for example conversion into a  digital value. This is achieved by "shifting" the signals between stages  within the device one at a time. CCDs move charge between capacitive  bins in the device, with the shift allowing for the transfer of charge  between bins.
The CCD is a major piece of technology in digital  imaging. In a CCD image sensor, pixels are represented by p-doped MOS  capacitors. These capacitors are biased above the threshold for  inversion when image acquisition begins, allowing the conversion of  incoming photons  into electron charges at the semiconductor-oxide interface; the CCD is  then used to read out these charges. Although CCDs are not the only  technology to allow for light detection, CCD image sensors are widely  used in professional, medical, and scientific applications where  high-quality image data is required. In applications with less exacting  quality demands, such as consumer and professional digital cameras,  active pixel sensors (CMOS) are generally used; the large quality  advantage CCDs enjoyed early on has narrowed over time.
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CCD (acronimo dell'inglese Charge-Coupled Device, in  italiano dispositivo a carica accoppiata) consiste in un circuito  integrato formato da una riga, o da una griglia, di elementi  semiconduttori (photosite) in grado di accumulare una carica elettrica  (charge) proporzionale all'intensità della radiazione elettromagnetica  che li colpisce. Questi elementi sono accoppiati (coupled) in modo che  ognuno di essi, sollecitato da un impulso elettrico, possa trasferire la  propria carica ad un altro elemento adiacente.
Inviando al dispositivo (device) una sequenza  temporizzata d'impulsi, si ottiene in uscita un segnale elettrico grazie  al quale è possibile ricostruire la matrice dei pixel che compongono  l'immagine proiettata sulla superficie del CCD stesso.
Questa informazione può essere utilizzata direttamente  nella sua forma analogica, per riprodurre l'immagine su di un monitor o  per registrarla su supporti magnetici, oppure può essere convertita in  formato digitale per l'immagazzinamento in file che ne garantiscano il  riutilizzo futuro.

History

The charge-coupled device was invented in 1969 at AT&T Bell Labs by Willard Boyle and George E. Smith. The lab was working on semiconductor bubble memory when Boyle and Smith conceived of the design of what they termed, in their notebook, "Charge 'Bubble' Devices".[2] The device could be used as a shift register. The essence of the design was the ability to transfer charge along the surface of a semiconductor from one storage capacitor to the next. The concept was similar in principle to the bucket-brigade device (BBD), which was developed at Philips Research Labs during the late 1960s. The first patent (4,085,456) on the application of CCDs to imaging was assigned to Michael Tompsett.
The initial paper describing the concept listed possible uses as a memory, a delay line, and an imaging device. The first experimental device demonstrating the principle was a row of closely spaced metal squares on an oxidized silicon surface electrically accessed by wire bonds.
The first working CCD made with integrated circuit technology was a simple 8-bit shift register. This device had input and output circuits and was used to demonstrate its use as a shift register and as a crude eight pixel linear imaging device. Development of the device progressed at a rapid rate. By 1971, Bell researchers lead by Michael Tompsett were able to capture images with simple linear devices. Several companies, including Fairchild Semiconductor, RCA and Texas Instruments, picked up on the invention and began development programs. Fairchild's effort, led by ex-Bell researcher Gil Amelio, was the first with commercial devices, and by 1974 had a linear 500-element device and a 2-D 100 x 100 pixel device. Steven Sasson, an electrical engineer working for Kodak, invented the first digital still camera using a Fairchild 100 x 100 CCD in 1975. The first KH-11 KENNAN reconnaissance satellite equipped with charge-coupled device array (800 x 800 pixels) technology for imaging was launched in December 1976. Under the leadership of Kazuo Iwama, Sony also started a large development effort on CCDs involving a significant investment. Eventually, Sony managed to mass-produce CCDs for their camcorders. Before this happened, Iwama died in August 1982; subsequently, a CCD chip was placed on his tombstone to acknowledge his contribution.
In January 2006, Boyle and Smith were awarded the National Academy of Engineering Charles Stark Draper Prize, and in 2009 they were awarded the Nobel Prize for Physics, for their invention of the CCD concept. Michael Tompsett was awarded the 2010 National Medal of Technology and Innovation for pioneering work and electronic technologies including the design and development of the first charge coupled device (CCD) imagers. He was also awarded the 2012 IEEE Edison Medal "For pioneering contributions to imaging devices including CCD Imagers, cameras and thermal imagers".

Use in Astronomy

Due to the high quantum efficiencies of CCDs, linearity of their outputs (one count for one photon of light), ease of use compared to photographic plates, and a variety of other reasons, CCDs were very rapidly adopted by astronomers for nearly all UV-to-infrared applications.
Thermal noise and cosmic rays may alter the pixels in the CCD array. To counter such effects, astronomers take several exposures with the CCD shutter closed and opened. The average of images taken with the shutter closed is necessary to lower the random noise. Once developed, the dark frame average image is then subtracted from the open-shutter image to remove the dark current and other systematic defects (dead pixels, hot pixels, etc.) in the CCD.
The Hubble Space Telescope, in particular, has a highly developed series of steps (“data reduction pipeline”) to convert the raw CCD data to useful images.
CCD cameras used in astrophotography often require sturdy mounts to cope with vibrations from wind and other sources, along with the tremendous weight of most imaging platforms. To take long exposures of galaxies and nebulae, many astronomers use a technique known as auto-guiding. Most autoguiders use a second CCD chip to monitor deviations during imaging. This chip can rapidly detect errors in tracking and command the mount motors to correct for them.
An interesting unusual astronomical application of CCDs, called drift-scanning, uses a CCD to make a fixed telescope behave like a tracking telescope and follow the motion of the sky. The charges in the CCD are transferred and read in a direction parallel to the motion of the sky, and at the same speed. In this way, the telescope can image a larger region of the sky than its normal field of view. The Sloan Digital Sky Survey is the most famous example of this, using the technique to produce the largest uniform survey of the sky yet accomplished.
In addition to astronomy, CCDs are also used in astronomical analytical instrumentation such as spectrometers.

Storia

Il CCD fu ideato alla divisione componenti semiconduttori dei Bell Laboratories da Willard S. Boyle e George E. Smith nel 1969. L'anno seguente venne realizzato un prototipo funzionante. Per questa scoperta Boyle e Smith hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2009.
Nel 1975 fu realizzata la prima videocamera con CCD con una qualità dell'immagine sufficiente per le riprese televisive.
Agli inizi del XXI secolo il CCD è il cuore delle moderne macchine fotografiche e videocamere digitali, ma anche dei fax e degli scanner. La scelta di una buona macchina passa per la scelta di un buon sensore, caratterizzato dalla dimensione in pollici (1/2, 1/3, 2/3, ...) e dal numero di pixel che compongono l'immagine catturata. La ricerca attuale è volta anche ad ottimizzare la forma del singolo pixel e la sua posizione. 
Nonostante le ottime caratteristiche dei sensori CCD essi concorrono con i diffusi sensori CMOS.

CCD in astronomia

Sin dalla sua nascita il CCD ha avuto largo uso in campo astronomico, dimostrando subito le enormi potenzialità rispetto alla fotografia tradizionale. Gli osservatori astronomici si sono dotati di questo strumento anche per velocizzare e rendere più precise le osservazioni astronomiche; anche l'immagine catturata dallo specchio di 2,4 metri di diametro del telescopio spaziale Hubble viene focalizzata su un CCD di 8 megapixel. Il telescopio Pan-STARRS sviluppato per individuare i potenziali asteroidi in rotta di collisione con la Terra ha una serie di 60 CCD che generano 1.9 gigapixel e quindi ha il CCD con più alta risoluzione del pianeta.
L'abbattimento dei costi, inizialmente molto alti, ha permesso negli ultimi anni la diffusione dei CCD anche in campo amatoriale. Sempre più astrofili si dotano di un CCD per le riprese, consentendo risultati in passato impensabili per un non professionista. Per ottenere le immagini desiderate, il dispositivo viene applicato al fuoco del telescopio.
Il CCD per uso astronomico, contrariamente ai CCD utilizzati per le videocamere, webcam, macchine fotografiche, deve avere, causa le lunghe esposizioni, il minimo rumore di fondo e quindi ridurre la sua componente più importante: il rumore termico. Per ottenere tale risultato è necessario utilizzare CCD con elettronica progettata appositamente per tale scopo, con la possibilità di potersi interfacciare ad un dispositivo di raffreddamento (normalmente è una cella di Peltier), che consente di mantenere il dispositivo ad una temperatura molto bassa. Quando il sensore CCD è mantenuto ad una temperatura più bassa, la qualità delle immagini migliora, in quanto si riduce il rumore termico catturato dal dispositivo.
Negli ultimi anni si è venuta ad affermare un'altra tecnica di utilizzo del CCD in astronomia per oggetti non troppo deboli, come la Luna ed i pianeti. Questa tecnica prevede di eseguire una lunga serie di riprese del soggetto, e successivamente, con appositi software, sommare tali riprese in modo che il rumore di fondo vada a scomparire (in quanto casuale) e venga esaltata l'immagine del corpo celeste ripreso. Questa tecnica ha di fatto permesso ai modesti strumenti amatoriali di ottenere riprese di grande qualità, confrontabili, qualche volta, con quelle prodotte dagli strumenti professionali.
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