2. Il progetto S.P.A.D.A.

2. Il progetto S.P.A.D.A.

2.1. Introduzione.

Nella realizzazione del progetto SPADA si è seguito un flusso progettuale di tipo classico, top-down, che verrà ora schematizzato velocemente e poi descritto più in dettaglio nei paragrafi seguenti.

Il progetto S.P.A.D.A. (acronimo di Single Photon Avalange Diode Array), svolto nell’ambito del progetto di ricerca “Cofin-Prin 2002” – “Development of

Monolithic Photon-Counter Arrays for Transient High-Energy Phenomena and Adaptive Optics in Astrophysics”, s’inserisce nel contesto di sviluppo tecnologico

rivolto alle applicazioni astronomiche viste nel capitolo precedente.

Le unità di ricerca coinvolte nel progetto sono: il Politecnico di Milano per quanto concerne la realizzazione della matrice di sensori e la relativa scheda di controllo e individuazione degli eventi (detta Detection Board); la Facoltà di Ingegneria Elettronica dell’Università di Pisa per tutto ciò che concerne l’acquisizione e il processing dei dati rivelati (Data Processing Electronics); l’Osservatorio Astrofisico di Catania e l’E.S.O. (European Southern Observatory) per la parte relativa ai telescopi e all’assemblaggio finale degli esperimenti.

In particolare il progetto è finalizzato alla realizzazione di un sistema di acquisizione del segnale luminoso nella lunghezza d’onda del visibile basato su una matrice di 60 sensori innovativi fabbricati su silicio monolitico; questi sensori sono chiamati SPAD (Single Photon Avalanche Diode) e sono sensibili all’arrivo di ogni singolo fotone.

relativi circuiti di attivazione e spegnimento detti iAQC (integrated Active Quenching Circuits) ed il controllo della temperatura del chip dei sensori.

Alla successiva fase di acquisizione ed elaborazione dati, chiamata Data Processing Electronics, è dedicato un secondo gruppo di schede che effettuano il conteggio dei fotoni, la pre-elaborazione dei dati, l’upload verso un computer remoto e la gestione dei segnali e dei parametri di controllo del sistema.

Una opportuna interfaccia su computer remoto infine visualizzerà le immagini rilevate dai sensori e svolgerà le ultime elaborazioni sui dati acquisiti, tramite un apposito software. remote Computer SP A D A ho us ing

Detection electronic board

Data-Processing electronic board RS232

Firewire

Fig.2.1: Architettura del sistema SPADA .

Le piattaforme di prova del sistema saranno essenzialmente due: l’osservatorio astronomico di Catania, e i quattro telescopi dell’ESO nell’osservatorio Paranal in

Cile su cui è già presente un sistema di ottica adattiva denominato MACAO (Multi-Application Curvature Adaptive Optics), all’interno delle quali andrà inserito il nuovo sistema di rilevamento basato sugli SPAD.

Gli obiettivi principali che si vogliono conseguire sono: alta sensibilità del sistema anche alle più deboli fonti luminose, la possibilità di effettuare acquisizioni molto veloci, la possibilità di visualizzare i dati raccolti in tempo reale e di svolgere alcune elaborazioni dei dati direttamente in hardware.

Nei paragrafi seguenti verrà fatta una dettagliata descrizione del sistema complessivo con particolare attenzione ai sensori SPAD e alla Detection Board e saranno illustrate le specifiche definitive legate alla sezione di Data-Processing del sistema, il cui sviluppo è affidato all’università di Pisa.

2.2. Sensori SPAD

2.2.1.

Storia ed evoluzione dei sensori spada

Sensori capaci di rivelare l’arrivo di singoli fotoni trovano numerose applicazioni in campi disparati come l’astronomia, il rilevamento di singole molecole, le misure di fluorescenza e luminosità, la caratterizzazione dei diodi laser, il testing delle fibre ottiche nelle comunicazioni, la telemetria ecc. In particolare, in campo astronomico, si usano tecniche di photon counting quando si vogliono effettuare misure accurate di segnali ottici deboli o di veloci impulsi luminosi, nel range dei nanosecondi o dei picosecondi e si richiedono a questi sensori alta sensitività ai fotoni, basso rumore di fondo, compattezza, robustezza ed economicità.

Multiplier Tube) prima e delle camere a CCD poi. I PMT sono fragili e ingombranti, sensibili ai disturbi elettromagnetici e alle vibrazioni meccaniche e richiedono alte tensioni di utilizzo (2-3 kV) mentre gli SPAD (come molti dispositivi a semiconduttore) sono compatti, robusti e con basse tensioni di utilizzo (30V). Oltre alle caratteristiche di cui sopra, l’assenza di rumore di lettura e la possibilità di creare array di SPAD capaci di veloci letture in parallelo li rende più adatti ai CCD in molte applicazioni. Per finire la possibilità di accendere e spengere i sensori con transizioni di pochi nanosecondi permette ottime sincronizzazioni con le eccitazioni ottiche.

Una tipica struttura di un sensore SPAD è mostrata in figura 2.2. Per ulteriori dettagli consultare la bibliografia [11] e [13].

Figura 2.2: Tipica struttura di un sensore SPAD.

Sostanzialmente un rivelatore SPAD (Single Photon Avalanche Diode) è costituito da una giunzione p-n polarizzata inversamente ad una tensione superiore in modulo (tipicamente di 5-10V) a quella di breakdown: si parla di funzionamento in modo Geiger del fotodiodo. La differenza tra i primi fotodiodi a valanga (detti APD Avalanche Photodiode) e gli SPAD è che i primi operavano

determinava un guadagno moderato e una maggiore affezione al rumore, mentre i secondi operano in modo Geiger.

In funzionamento Geiger può trascorrere un tempo fino a qualche millisecondo prima che la giunzione inizi a condurre a causa di un portatore minoritario che innesca il breakdown. L’innesco, nel caso dei fotodiodi SPAD, viene provocato da portatori fotogenerati: in questo modo si hanno degli impulsi di corrente con fronti molto veloci, legati ai fotoni incidenti sul sensore.

Una tipica misura di qualità dei dispositivi SPAD consiste proprio nell’analisi del tempo che intercorre tra l’arrivo del fotone ed il fronte di corrente in uscita: il parametro che si usa è il FWHM (Full Width at Half Minimum), che si riferisce alla media statistica del ritardo citato.

Efficienze tipiche nel rilievo dei fotoni variano tra 4% e 50%, in funzione della lunghezza d’onda e della tensione di polarizzazione. Valori accettabili di FWHM devono invece essere dell’ordine di poche decine di picosecondi.

Altra valutazione sulla qualità del sensore SPAD viene fatta misurando la quantità di “conteggi di buio” (detti dark count), ossia il numero di inneschi del breakdown a valanga non causati da portatori fotogenerati ma da altri eventi che costituiscono un rumore indesiderato. Particolare attenzione va riservata agli impulsi causati da portatori generati termicamente, detti i dark count spuri, che sono dipendenti dalle difettosità presenti nella giunzione, in particolare nella regione circa a metà del gap tra banda di conduzione e banda di valenza. Si indica poi col nome di

afterpulsing un dark count, che si verifica immediatamente dopo una

fotoilluminazione, causato dal rilascio di portatori immagazzinati nelle trappole della giunzione. Inoltre si è osservato che i dark count aumentano all’aumentare dell’area del dispositivo, limitandone in pratica il diametro attivo a non più di 50µm.

Figura 2.3: Dipendenza dei conteggi di buio dal diametro dell’area attiva, per sensori di diverse generazioni. Ogni punto è il valore medio di misura su 10 dispositivi in differenti posizioni sul wafer. La terza generazione evidenzia oltre a una buona uniformità valori molto bassi.

Si verifica sperimentalmente che, come prevedibile, il numero dei conteggi di buio aumenta notevolmente anche con l’aumentare della tensione applicata al diodo: non si dovrà quindi eccedere nella tensione di polarizzazione, che pur dovrà essere sufficientemente maggiore (tipicamente di 5-10V) della tensione di breakdown.

Come già osservato, un importante parametro di qualità dei dispositivi SPAD è la velocità di risposta. Ecco che assume grande rilevanza anche la forma dell’impulso di corrente in uscita del dispositivo che idealmente dovrebbe essere impulsiva, ma in realtà è costituita da un picco marcato e da una coda più lenta. Il picco deriva dai portatori fotogenerati all’interno della zona di svuotamento della giunzione, la coda lenta (slow tail) da quelli fotogenerati nelle regioni neutre che

la circondano. La coda rappresenta un grosso inconveniente nella misura di forme d’onda ottiche, soprattutto quando deboli segnali devono essere rilevati dopo forti picchi di luce. Si cerca quindi di costruire dei sensori con delle code il meno possibile pronunciate. Per ulteriori dettagli consultare la bibliografia [14].

Figura 2.4: In alto esempi di impulsi in uscita da due diversi SPAD in seguito all’arrivo di un impulso luminoso di 20 ps. Il sensore B, un vecchio SPAD con tecnologia epitassiale doppia, è affetto da una coda molto lenta, che non permette di mostrare eventuali effetti del secondo ordine, rilevati invece da A (frecce 1 e 2), sensore SPAD del 1993. Essi possono essere ad esempio dovuti a riflessioni lungo le fibre ottiche di connessione e a residui di oscillazione nel diodo laser. In basso esperimento del tempo di risposta allo stesso impulso di un sensore SPADA con 10µm di diametro realizzato nel 2003 e utilizzato in questo studio che evidenzia fronti molto più ripidi della coda in tempi molto minori.

2.2.2.

Array di SPAD

Quando si vogliono inserire più dispositivi di tipo SPAD su di un unico chip, insorgono ulteriori problemi; in particolare si ha l’insorgenza del fenomeno del cross-talk tra i sensori. Ciò accade in quanto alcuni dei moltissimi portatori generati a valanga nel sensore illuminato possono sconfinare in una giunzione “adiacente”, producendo anche in questa un breakdown indesiderato. Questo può essere rilevato sperimentalmente facendo incidere della luce su un solo SPAD, e verificando un sensibile aumento dei dark count nei sensori circostanti. Nella figura sono riportati i risultati sperimentali di cross-talk relativi a un vettore lineare di 10 SPAD circolari di diametro 20µm, distanziati tra loro di 106µm.

Figura 2.5: A sinistra array lineare di 10 SPAD , a destra rilevamenti sperimentali dell’effetto di cross-talk in funzione della distanza dal sensore illuminato e della corrente che esso genera.

Alcuni metodi utilizzati in letteratura per diminuire il cross-talk tra i sensori, dove non è possibile distanziarli maggiormente, sono: aumentare l’isolamento

interponendo tra loro delle zone in polisilicio che assorbano i portatori sfuggiti alla giunzione in breakdown e una opportuna scelta della forma della matrice e delle dimensioni dei singoli sensori in funzione della applicazione. Per ulteriori dettagli consultare la bibliografia [12] e [17].

2.2.3.

Specifiche di sistema relative al sensore

SPADA

Il dispositivo utilizzato nel nostro lavoro è stato sviluppato, per la prima volta, con una tecnologia compatibile con i processi di fabbricazione di circuiti intergrati, in particolare con tecnologia CMOS. Questo ha reso possibile la fabbricazione di una matrice di sensori SPAD con integrazione monolitica sullo stesso chip. Le prestazioni ottenute con un sensore di 50 µm di diametro operante a temperatura ambiente con tensione di 10V superiore al breakdown sono: massimo tasso di conteggi di buio di 5kc/s, probabilità minore del 1% di afterpulsing, efficienza di rilevamento dei fotoni superiore al 50% (alla lunghezza d’onda di 600nm e senza il rivestimento antiriflessione), tempo di risoluzione per il singolo fotone di 250 ps. Realizzando sensori di dimensioni inferiori, fino a 10um di diametro si ha un deciso miglioramento delle prestazioni.

Il sensore nella sua interezza è costituito da 60 elementi SPAD piazzati nel fuoco di piccole sferette (figura 2.6), a loro volta collocate sul piano focale di un array di 18mm di diametro, costituito da 60 piccole lenti. La dimensione d’ingombro del chip risulta di 18mm x 18mm, ed ogni pixel è piazzato sufficientemente distante dagli altri da prevenire l’effetto di crosstalk (vedere paragrafo 2.2.1). Il chip SPADA, a simmetria circolare, è realizzato su un die quadrato (figura 2.7) nei cui angoli sono realizzate anche altre strutture di controllo.

Figura 2.6: Punti focali in cui si collocano i sensori, organizzati secondo una simmetria sferica. 6 x 10 array quad-cell other array other quad-cells temperature sensor

Figura 2.7: Un chip SPADA (a sinistra). Un wafer contiene fino a 16 chip (a destra).

In modo da sfruttare al meglio tutta l’area disponibile di silicio, più sensori sono realizzati in corrispondenza di ogni pixel, come mostrato in figura 2.8. In questa maniera, lo stesso die può essere usato come un chip SPADA di 60 pixel con quattro differenti diametri attivi. L’ottica d’ingresso verrà poi focalizzata su un singolo set di SPAD e solo questo set di 60 sensori sarà effettivamente collegato alla Detection Electronic Board.

10µm

20µm 30µm

40µm

Figura 2.8: Ogni pixel è formato da 4 sensori con aperture diverse.

Il supporto per il chip SPADA consiste di un substrato ceramico 50mm x 50mm con piste metalliche e pin divise in 4 linee di 20 pin ciascuna, che è posto a stretto contatto con un dito freddo Peltier di area 20mm x 20mm. In questo modo si riesce a mantenere costante la temperatura del chip, controllando così anche la costanza del rendimento dei sensori ed il numero di conteggi di buio.

Figura 2.9: Chip istallato su supporto ceramico in contatto con lo stadio di Peltier.

Un’ottica dedicata, costituita proprio dalle microlenti e dalle microsfere già citate, focalizza il fronte d’onda incidente su ogni singolo sensore SPAD. La distanza tra le microsfere e la superficie dello SPADA è di circa 66µm. In figura sotto è mostrato il comune alloggiamento del supporto SPADA e di quello ottico.

SPADA

WaveFront

microspheres held by ceramic holder SPADA sensor

Peltier cooling stage microlenses array

Figura 2.10: Le microlenti e le microsfere vanno piazzate subito sopra il sensore SPADA.

Figura 2.11: Alloggiamento dei supporti ottici e del sensore SPADA.

E’ importante osservare che la progettazione optomeccanica ed elettronica del sensore SPADA visto sopra è stata scelta per essere completamente compatibile con il sistema di ottica adattiva MACAO presente nell’osservatorio dell’ESO in Cile.

2.3. Detection Board.

2.3.1.

Storia e funzionamento AQCs

I sensori SPAD, per poter funzionare correttamente, hanno bisogno di una “circuito di spegnimento”, che arresti il fenomeno del breakdown a valanga. Nel passato veniva utilizzato un metodo passivo che consisteva semplicemente nel limitare la massima corrente degli APD. Successivamente si è passati a un approccio attivo che consiste nel controllare la corrente attraverso lo SPAD e di ridurre, più velocemente possibile, la tensione inversa applicata a un valore sotto la soglia di breakdown dopo ogni fotorilevamento. Il tempo di spegnimento è il parametro critico che deve essere molto piccolo per tre ragioni principali: la prima per evitare il surriscaldamento del dispositivo, secondo ridurre il flusso di cariche durante il processo di valanga che possono finire in trappole e causare afterpulse, terzo per limitare il crosstalk.

Verrà mostrato ora un moderno circuito attivo di spegnimento molto efficiente, chiamato anche AQC (Active Quenching Circuit). Questo circuito rileva il trigger dovuto all’ingenerarsi del breakdown a valanga, fornisce un impulso d’uscita sincrono, e spegne la corrente dello SPAD attraverso l’applicazione di una tensione di spegnimento più bassa di quella di breakdown. Dopo un intervallo di tempo ben definito l’AQC riporta la tensione di polarizzazione al sensore, che è quindi di nuovo pronto a rilevare un altro fotone.

Figura 2.12: Diagramma a blocchi di un AQC

Nella figura sopra si osserva come il comparatore rilevi l’inizio del breakdown forzando l’interruttore di spegnimento a fermare la corrente che fluisce nel diodo che è reso inattivo per un periodo di monostabile regolabile tra poche decine di nanosecondi e qualche microsecondo. Successivamente, la logica di reset riapre l’interruttore di spegnimento e richiude quello di reset, riapplicando al sensore la polarizzazione iniziale.

2.3.2.

Specifiche di sistema per la Detection

Board

Nel nostro sistema sono stati progettati degli AQC in grado di effettuare ogni operazione di rilevamento fino a 50ns (detto hold off time ), corrispondente ad un flusso massimo rilevabile di fotoni di 20Mcps. Inoltre, per la prima volta in

letteratura, è stato realizzato un chip di dispositivi di spegnimento completamente integrato detto iAQC (Integrate Active Quenching Circuit). In questo modo si aumentano affidabilità e velocità; inoltre si riduce il numero dei componenti discreti e quindi l’ingombro del sistema; resteranno al di fuori dell’integrato solo i componenti sottoposti a tensioni più elevate (vedere figura sotto).

Figura 2.13: Circuito completo per la gestione di un sensore SPAD con elevata tensione anodica. (In realtà i sensori usati nel “progetto SPADA” avranno il pregio di funzionare correttamente a tensioni molto più ridotte.)

Tutti gli iAQC sono montati come “chip-on-board devices”, per minimizzare le dimensioni totali e migliorare l’affidabilità e la possibilità di manutenzione. Le dimensioni previste per ogni iAQC sono di circa 2mm x 1mm. Le tensioni di alimentazione positive per gli iAQC sono quelle standard di +5V e +12V, mentre l’anodo comune dell’intero SPADA ad elevata tensione d’alimentazione varierà nel range tra –5V e –24V, e sarà programmabile dall’utente. Anche il tempo di hold-off è impostabile, su valori tra 10ns e 500ns. Tutti gli iAQC hanno un comune input di Gate, per abilitare e disabilitare l’intero sensore SPADA.

Sono stati realizzati circuiti integrati, come quello mostrato nella figura sottostante, con un chip contenente cinque iAQC. Per ulteriori dettagli consultare la bibliografia [15] e [16].

Figura 2.14: Layout di un iAQC. Le dimensioni sono di 1.1mm x 1.4mm. La maggior parte dell’ingombro è costituita dai tre condensatori utilizzati per il monostabile.

Nella Detection Board sono stati integrati 12 circuiti di questo tipo ottenendo 60 circuiti attivi di spegnimento per i singoli pixel del sensore SPADA; la scheda è provvista anche di 60 linee di uscita attraverso due connettori SCSI a 68 pin con output drivers differenziali RS422.

Un driver per il refrigeratore Peltier controlla la temperatura dello SPADA, attraverso un sensore di temperatura integrato sul chip o per mezzo di due sensori di temperatura commerciali piazzati sopra e sotto lo stadio Peltier. Il driver monitora anche la corrente assorbita dal refrigeratore, per diagnosticare e prevenire eventuali condizioni critiche. La temperatura è selezionabile dall’utente tra quella ambiente e -30°C.

Un microcontrollore a 8bit gestisce il setting, le diagnostiche e le comunicazioni con la Data-Processing Electronic Board e le apparecchiature ESO MACAO

trasferendo comandi e le letture (di temperatura, over-voltage e durata degli hold-off) tramite interfacce seriali RS-232.

Oltre al segnale di Gate la scheda prevede anche un segnale di Interlock per staccare l’alimentazione del sensore SPADA in caso di rischi o emergenze. Entrambi i segnali vengono trasmessi attraverso connettori SMC. E’ previsto anche un meccanismo di watchdog per verificare la corretta connessione con la Data - Processing Board o l’host computer dell’apparecchiatura MACAO. Se la corretta condizione del watchdog non è verificata lo SPADA viene spento.

La scheda è collocata in stretta vicinanza del sensore SPADA e solo la sezione di alimentazione è separata. Power-supply for electronics and SPADs iAQC diff.out iAQC diff.out iAQC diff.out iAQC diff.out SC SI c on ne ct or 68 pi n SC SI c on ne cto r 68 pi n 1 2 3 60 Peltier Controller Pe ltie r e T er m oR µC gate interlock RS232 Mains 230V ac Fiber Optics Gate In driver diff.

Detection electronic board

gate Vhigh T.meas T.set Common anode supply fr om th e SP AD A se ns or to D ata -P ro ce si ng El ec tr on ic s to MACAO equipment Inter lock diff. gate interlock hold-off duration overvoltage setting to Data-Processing board

2.4. Data Processing Electronics.

Lo sguardo si sposta ora sull’unita di lavoro affidata all’università di Pisa e oggetto di questo elaborato: la realizzazione del Data-Processing .

Il sistema progettato è chiamato a effettuare il conteggio dei fotoni, la pre-elaborazione dei dati, l’upload in tempo reale di questi verso un computer remoto e la gestione dei segnali e dei parametri di controllo del sistema per ciascuna delle tre applicazioni previste. Nei sottoparagrafi seguenti si è proceduto ad una descrizione e schematizzazione delle funzioni da svolgere nelle tre applicazioni e all’estrapolazione delle specifiche richieste per ciascuna, in ordine alle quali è stata scelta l’opportuna piattaforma di sviluppo principale, sotto forma di una scheda commerciale descritta nel dettaglio nel capitolo 3.

2.4.1.

Fast Transient Imaging.

Nell’applicazione di Fast Transient Imaging (FTI) l’importante è acquisire l’immagine a 60 pixel fornita dal sensore SPADA ogni finestra di integrazione temporale Tw, di durata impostabile dall’utente in un range tra 10µs e 100ms con una risoluzione di 14 bit. Finestre temporali brevi permettono una scansione temporale del flusso di fotoni incidente con risoluzione più che sufficiente per la maggior parte delle applicazioni astronomiche. L’immagine deve visualizzare il numero di fotoni rilevati da ciascun pixel e contati dalla scheda nella finestra temporale; quindi ogni periodo Tw i 60 conteggi effettuati devono essere trasmessi al computer remoto.

La figura sotto mostra il diagramma a blocchi della scheda di data-processing configurata per l’applicazione FTI.

P o w er-su p p ly 1st _{C o u n ter L a tc h} C k E n a b le T im in g an d c o n tro l lo g ic M a in s 2 3 0 V a c

(F A S T IM A G IN G )

Figura 2.16: Schema a blocchi della Data Processing Board configurata per l’applicazione FTI.

Ogni contatore deve avere una profondità almeno di 16 bit e implementare un meccanismo di saturazione che scatta quando si verifica un overflow sul contatore (il conteggio giunge a FFFF esadecimale). In questo modo, al massimo counting rate di 20Mcps, corrispondente al minimo hold-off time di 50ns permesso dagli iAQC, ogni contatore potrà saturare solo per Tw maggiori di 3.3ms. In questa situazione, l’operatore potrà decidere di ridurre la finestra di integrazione,

temporale. Inoltre, si nota che per Tw minori di 1ms ogni contatore non avrà mai bisogno di più di 15 bit, mentre per la finestra minima (Tw=10µs) saranno sufficienti soli 8 bit. Di conseguenza anche l’uploading al computer remoto può essere adattato all’effettivo numero di bit dei contatori secondo la formula:

n_eff = log_{2(Tw.20Mcps).}

Una logica di timing e controllo salva il contenuto di ogni contatore in un corrispondente registro di appoggio ogni finestra di integrazione, in questo modo nessun fotone verrà perduto dal conteggio. Il contenuto dei 60 registri di appoggio viene passato all’uscita tramite un opportuno collegamento scelto in base al massimo bit rate necessario per l’elaborazione in tempo reale. Questo corrisponde alla finestra di integrazione minore, ciò significa nel nostro caso la necessità di una banda di uscita pari almeno a:

F_max = 60pixels . 16bit / 10µs = 96Mbps.

Questo alto valore giustifica pienamente la scelta della veloce connessione Firewire verso il computer remoto. Lo stesso collegamento Firewire verrà usato per scaricare i parametri impostabili dall’utente verso la scheda; questi sono:

• la finestra di integrazione temporale Tw,

• il Gate e l’Interlock software, che permettono all’utente di accendere o spegnere gli iACQ o l’intero sensore SPADA (attraverso la Detection Board) per mezzo del computer remoto,

• l’attivazione del “safety mode”, modalità che consente la generazione di un Interlock hardware e l’invio di un messaggio di errore al computer remoto nel caso in cui i contatori saturino.

Vi sarà poi anche una possibilità di Gate hardware, con ingresso fornito da apparecchiature esterne e uscita verso la Detection Board. Inoltre la scheda dovrà effettuare il by-pass dei comandi indirizzati alla Detection Board e delle letture dei valori attuali di alcune variabili (temperatura, over-voltage, tempi di hold-off) tramite porta seriale RS 232.

2.4.2.

Adaptive Optics.

Nelle applicazioni di ottica adattiva un sistema di curvatura del fronte d’onda detto Curvature WaveFront System (CWFS) deve compiere parecchie azioni: la figura sotto ne schematizza il principio operativo.

Timing and control logic USB Processing: A-B A+B Audio ampl. Output GND sinusoidal waveform In pu t W av eF ront SPADA pixel moving membrane loudspeaker in f ocu s be fore f oc us be hi nd f oc us A B A B

Figura 2.17: principio operativo del sensore di curvatura.

Innanzitutto, tramite il movimento di una membrana, si deve cambiare il piano focale del flusso di fotoni incidente sopra il sensore SPADA, in modo che acquisti un’oscillazione sinusoidale. In questo modo si può procedere a contare per ogni pixel, in un contatore A, il numero di fotoni rilevati quando il piano focale si trova al di sopra del sensore SPADA e in un contatore B il numero di fotoni rilevato quando il piano focale è al di sotto del sensore. La misura deve essere ripetuta per un numero intero di periodi di oscillazione, sommando ogni volta ai nuovi

In uscita bisogna fornire o i conteggi accumulati nei contatori A e B o il segnale di curvatura definito come

C = (A-B)/(A+B)

Un valore di C basso in modulo indica che i pixel dello SPADA sono in posizione di fuoco; un valore alto, positivo o negativo, indica che i pixel sono fuori fuoco, e che quindi il sistema di ottica adattiva deve correggere la focalizzazione. L’acquisizione del segnale di curvatura va ripetuta in tempo reale.

La membrana è mossa da un altoparlante caratterizzato da una resistenza di 4Ω ed una potenza di 4W. La frequenza dell’oscillazione sinusoidale è programmabile dall’utente tra 1.5kHz e 3kHz, con una risoluzione di 1Hz, poiché la membrana risuona con un fattore Q molto elevato. Anche fase ed ampiezza della sinusoide sono impostabili dall’utente: in particolare la risoluzione sull’ampiezza sarà di 8bit, quella sulla fase di 0.5°.

La logica di controllo deve alternativamente abilitare i contatori corrispondenti ai semiperiodi A e B, continuando a contare per un numero intero di periodi della sinusoide, impostabile dall’operatore nel range tra 1 e 256. Ne consegue che l’intero intervallo di conteggio sarà compreso tra un minimo di 1/3kHz = 333µs ed un massimo di 256/1.5kHz = 171ms. Come per l’applicazione FTI, sono utilizzabili contatori almeno a 16bit, ed anche la logica aritmetica che calcolerà il segnale di curvatura dovrà fornire un risultato su 16bit.

Uno schema di principio della Data-Processing Board configurata per Ottica Adattiva è mostrato in figura 2.18.

Power-supply

1

A counter

Timing and

control logic

(ADAPTIVE OPTICS)

fr

om

Da

ta

-P

ro

ce

si

ng

El

ec

tr

on

ic

s

Enable Data Bus Data shiftclock

Processing:

A-B

A+B

Load

4Ω 4W

1

B counter

Figura 2.18: Schema a blocchi della Data Processing Board configurata per l’applicazione AO.

Alla fine di ogni intervallo di acquisizione, la Data-Processing Board esegue la trasmissione al PC remoto dei 60 segnali di curvatura calcolati, ed eventualmente anche dei contenuti dei singoli registri A e B. Quindi la massima banda necessaria in uscita per questa applicazione risulta essere:

FIREWIRE

Generazione della sinusoide.

Anche in questo caso è la connessione Firewire a provvedere all’upload dei dati ed al download dei parametri impostabili dall’utente verso la scheda che in questa applicazione sono:

• frequenza ampiezza e fase della sinusoide,

• il numero si periodi di sinusoide su cui fare l’acquisizione, • il Gate e l’Interlock software e l’attivazione del “safety mode”.

La gestione dei segnali di Gate, Interlock e “safety mode” è la stessa dell’applicazione FTI. Inoltre anche in questa applicazione la scheda effettuerà il by-pass dei comandi indirizzati alla Detection Board (temperatura, over-voltage, tempi di hold-off) via porta seriale RS 232.

2.4.3.

Layer Sensing.

Questa applicazione operativamente risulta un misto tra le precedenti, ma lo scopo questa volta è lo studio degli strati atmosferici per mezzo dell’analisi delle riflessioni a diverse quote, in seguito all’invio di un impulso laser.

Proprio come nell’esempio discusso nel capitolo 1 viene utilizzato un impulso laser con frequenza di ripetizione di 7 kHz. La scheda riceve un segnale di sincronizzazione (sempre con frequenza di ripetizione di 7kHz), che segnala l’invio dell’impulso laser e mantiene il sensore SPADA spento tramite il Gate per i successivi 2.5µs (per mascherare la fluorescenza ottica dovuta all’elevata potenza dell’impulso). Trascorso questo tempo fissato, la scheda riaccende il sensore e inizia a memorizzare, per ciascuno dei 60 pixel, i conteggi dei fotoni che arrivano in 15 finestre temporali successive. L’acquisizione ora descritta viene ripetuta per un numero di volte definibile dall’utente.

Tutti i dati acquisiti verranno salvati e poi trasmessi al computer remoto alla fine del processo, solo allora si potrà iniziare una nuova serie di acquisizioni.

Nello stesso tempo, per ottenere una corretta focalizzazione, la scheda genera un segnale sinusoidale, con le stesse specifiche viste nel paragrafo precedente.

Ancora è la connessione Firewire a provvedere all’upload dei dati ed al download delle impostazioni della scheda che in questa applicazione sono:

• frequenza, ampiezza e fase della sinusoide, • il numero di acquisizioni,

• il Gate e l’Interlock software e l’attivazione del “safety mode”.

La gestione dei segnali di Gate, Interlock e “safety mode” è svolta come nelle applicazioni precedenti. Inoltre anche in questa applicazione la scheda effettuerà il by-pass dei comandi indirizzati alla Detection Board (temperatura, over-voltage, tempi di hold-off) via porta seriale RS 232.

La struttura della Data Processing Board configurata per l’applicazione di Layer Sensing è mostrata nella figura 2.19.

Power-supply 1st _pixel sample 1 Ck Enable Mains 230V ac

(LAYER SENSING)

select Data Bus

Data shift clock Uploading unit Audio ampl. Load 4Ω 4W Output GND Sin. Out Multiplying DAC DAC VREF 8bit 16bit sine table sine peak 1st _pixel sample 15 Ck Enable Timing and control logic

Figura 2.19: Schema a blocchi della Data Processing Board configurata per l’applicazione LS.

La corretta sincronizzazione tra il laser, la generazione della sinusoide e l’inizio della acquisizione garantisce il campionamento del raggio laser su differenti altezze con una risoluzione di 3.3 Km su un range di strati atmosferici da 1 a 50 Km. Genera-zione Della Sinusoide FIREWIRE

2.5. Interfaccia software.

Il software remoto, sempre affidato all’Università di Pisa, è stato implementato dall’ing. Simone Fioravanti nel proprio elaborato di tesi. Tale software è stato sviluppato in modo da essere facile da usare e con un’interfaccia di immediata comprensione. Lo sviluppo è avvenuto tramite il software applicativo LabView. Il programma realizzato permettere la selezione dell’esperimento corrente per il sistema SPADA e l’impostazione dei relativi parametri di configurazione. Nell’immagine seguente sono illustrati i comandi principali che sono gestiti dal software nelle tre applicazioni. E’ affiancato ad ogni comando, o per ogni tipo di dato da visualizzare, il modo grafico di rappresentazione scelto.

F.T.I. A.O. L.S.

Setting Tmeasure

100µs÷100ms 1÷256 periods of

the sinusoid of the sinusoid 1÷256 periods

Operating

modes • Imaging (singoli frames) • Time-Tagging (più immagini ASCII) • Solo segnale di curvatura • Anche contatori A e B • 10 set di 60 pixel Setting Tempo di acquisizione totale Nd Nd

Data display L’utente può scegliere la visualizzazione di un frame su una mappa a simmetria cilindrica In una mappa a simmetria cilindrica In 15 mappe a simmetria cilindrica

Gate on/off Yes

Interlock on/off Yes Tempera-ture setting Yes Tempera-ture reading Yes Safety mode Yes Sinusoid generation nd Frequenza, ampiezza e fase programmabili dall’utente Frequenza, ampiezza e fase programmabili dall’utente

Figura 2.20: Principali comandi che il software deve poter gestire.