Questa settimana continuo il discorso dell’ultimo post, raccontando lo sfondo scientifico che ha portato la commissione dei Nobel a scegliere come vincitori Charles K. Kao, Willard S. Boyle e George E. Smith.
Del primo abbiamo parlato la settimana scorsa, ricordando il suo colpo di genio nello sviluppo delle fibre ottiche. Oggi invece parleremo dei due scienziati che hanno condiviso la seconda metà del premio, per essere stati i primi ad aver realizzato quello che viene chiamato Charge-coupled Device, o CCD.
Il tentativo dell’uomo di registrare le immagini che gli si ponevano davanti è una storia di lunghissima data. Già gli antichi cinesi conoscevano il fenomeno della “camera oscura”, ovvero il fatto che un foro molto piccolo in una superficie crea un’immagine rovesciata in una superficie opposta di una camera buia.
Già in quell’epoca venivano fatti esperimenti con scatole e lenti che producevano immagini su una superficie. Non era però ancora possibile registrare quelle immagini in nessun modo. Si sono dovuti aspettare millenni prima che l’uomo fosse in grado di imprimere un’immagine su una superficie.
La prima forma di fotografia che ci è giunta è del 1826, scattata da J.N. Niépce dopo un’esposizione di 8 ore su un sottile strato di bitume, un derivato del petrolio su cui è possibile imprimere un’immagine grazie al fatto che brucia se esposto alla luce. Sono passati più di sessant’anni, però, prima che si arrivasse a una pellicola a rollino inserite in una macchina fotografica vera e propria (la Eastman Kodak del 1888).
Anche i premi Nobel non sono mancati nella storia della fotografia. Nel 1908 G. Lippman ha ottenuto questo premio per aver realizzato la fotografia a colori, utilizzando l’effetto dell’interferenza delle onde dell’immagine con la loro stessa riflessione su uno specchio di mercurio posto dietro l’emulsione sensibile.Insomma, negli ultimo due secoli la rincorsa alla tecnologia fotografica è stata continua e ha portato miglioramenti incredibili, per raggiungere le tecnologie che conosciamo oggi, quando un qualsiasi appassionato o turista in erba può permettersi una reflex digitale da 10 megapixel che permette di fare stampe una volta riservate solo agli specialisti.
L’invenzione del CCD è sicuramente uno dei passi più importanti che ha permesso di raggiungere i livelli che conosciamo oggi. Ma che cos’è questo CCD? È uno strumento che permette il movimento di cariche elettriche, generalmente dal suo interno verso una zona in cui queste cariche possono venir raccolte e analizzate. Per fare questo si utilizzano vari strati di materiale semiconduttore, che accumula carica elettrica e poi, se sollecitato, trasmette la carica agli strati adiacenti.
Spesso il dispositivo CCD è integrato con un sensore fotoelettrico che crea la carica quando sottoposto a una sorgente luminosa e quindi “proietta” l’immagine sul CCD sotto forma di carica elettrica, ovvero, digitalizzandola. L’accoppiata di questi dispositivi fornisce uno strumento ormai divenuto indispensabile per tutte le applicazioni che necessitano di un’analisi dell’immagine ad altissima definizione, come il campo medico, l’astronomia, e la fotografia professionale.
La tecnologia necessaria per la realizzazione del CCD è stata sviluppata nel 1969 da Willard Boyle e George E. Smith, mentre svolgevano il loro lavoro ai Laboratori AT&T Bell. Stavano sviluppando la prima forma di video telefono, in parallelo allo sviluppo di una memoria a bolle con l’utilizzo di semiconduttori. Una delle principali caratteristiche del bravo scienziato è di riuscire a collegare idee e tecnologie assieme, per creare l’invenzione folgorante.
Ed è proprio quello che è successo a Boyle e Smith, che hanno unito assieme i due studi che stavano svolgendo per creare quelli che chiamarono “Charge Bubble Devices”, ovvero dei dispositivi in grado di spostare la carica lungo la superficie semiconduttrice. Lo scopo principale dei primi CCD era quello di immagazzinare dati, per cui era possibile iniettare la carica nel dispositivo con una modulazione regolare per immagazzinare informazioni in memoria.
Si è presto capito, però, che questa carica poteva venire da qualsiasi sorgente, tra cui una superficie fotoelettrica. Tale superficie è soggetta all’effetto fotoelettrico (teorizzato da Einstein, per i lettori pignoli) e quindi emette un elettrone (cioè una carica elettrica) quando soggetta a un fotone (ovvero un “pacchetto di luce”). Combinando quindi questi due dispositivi è quindi possibile trasformare la luce in carica elettrica e immagazzinarla per tempo indefinito, senza perdere nessuna informazione.
Nello stesso anno 1969 ai laboratori Bell è stato realizzato il primo dispositivo di tipo lineare che sfruttava questo principio. L’importanza della scoperta fu immediatamente chiara a tutti, così molte aziende cominciarono a studiare lì dove Boyle e Smith avevano lasciato. la Fairchild semiconductor realizzò nel 1974 un CCD lineare a 500 elementi e, subito dopo, la prima superficie CCD (dispositivo a due dimensioni) di 100 x 100 pixel (fa quasi ridere ai giorni nostri).
Uno degli ultimi nomi legati al CCD è quello di Kazuo Iwama, a capo della Sony, che ha investito tantissimo nello sviluppo di questa tecnologia, fino a riuscire a rendere commerciali le fotocamere digitali. Quando Iwama morì, nell’Agosto 1982, sulla sua tomba venne inserito un chip CCD, in ricordo del suo contributo in questa direzione.
Ma a Boyle e Smith, che nel 1969 pubblicarono due articoli, uno di stampo più teorico e uno più pratico, nello stesso numero del Bell Systems Technical Journal. In questi articoli spiegarono come il CCD fosse in grado di registrare una scena accumulando cariche indotte dalla luce su una superficie semiconduttrice, e di come fosse possibile poi riottenere l’immagine iniziale trasportando queste cariche in una zona di read out ai bordi dell’area sensibile.
In particolare utilizzarono le proprietà del nuovo (all’epoca) materiale semiconduttore MOS (Metal Oxide Semiconductor) per creare un dispositivo in grado di registrare e riprodurre un’immagine. Il sistema di read-out non era una novità assoluta, poiché era molto simile al sistema chiamato “bucket brigade“, sviluppato nel 1967, atto a trasportare cariche elettriche lungo una catena di semiconduttori.
Il BBD (Bucket Brigade Device) trasferisce cariche elettriche attraversoelementi capacitivi successivi tramite l’uso di transistors. Vi è però un’efficienza limitata nella capacità di trasferimento di carica tra semiconduttori, e questo limitava enormemente la lunghezza del sistema di semiconduttori. In questo il CCD rappresentava un’enorme innovazione, poichè nel CCD vi sono “bolle di carica” indotte dalla luce che viaggiano in modo semicontinuo lungo la catena di semiconduttori, aumentando enormemente l’efficienza del sistema.
Senza dilungarmi troppo sui dettagli di funzionamento del CCD, consiglio chi è interessato di leggere il documento sulla motivazione scientifica del premio nobel, che è disponibile sul sito ufficiale . Vorrei invece spendere ancora due parole sull’importanza del CCD nello sviluppo della scienza e tecnologia degli ultimi trent’anni.
Oltre alle applicazioni presenti sotto gli occhi di tutti, come fotocamere e videocamere digitali, scanner, dispositivi medici, telecamere di sorveglianza e quant’altro ci possa venire in mente, il CCD ha rappresentato un passo in avanti di dimensioni incredibili per quanto riguarda l’astronomia e l’astrofisica moderna.
Ancora oggi i più grandi CCD disponibili sono dedicati all’astrofisica, come il PAN-STARRS (Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System), un telescopio situato nelle Hawaii che contiene diverse fotocamere con un mosaico di chip CCD che raggiungono i 5 gigapixels.
Un altro esempio è la fotocamera Wide Field Planetary Camera (WFPC), che ha raggiunto ormai la sua terza versione ed è il cuore, anzi, l’occhio, del telescopio Hubble. Tramite questa telecamera sono state fatte innumerevoli scoperte, che non sarebbero mai state realizzate se il mondo dell’astronomia fosse ancora legato alle piastre ed emulsioni fotografiche.
Quindi, sebbene in fondo al cuore non sia del tutto soddisfatta che il nobel per la fisica sia andato a scoperte di tipo più ingegneristico, visto che per questo tipo di scoperte esistono un’infinità di premi specifici, come il National Academy of Engineering Charles Stark Draper Prize, vinto dalla stessa coppia Boyle e Smith nel 2006 per la stessa ragione, posso dirmi soddisfatta del contributo scientifico che una tale tecnologia ci ha concesso.
