Введение

Космические технологии, когда-то предназначенные исключительно для изучения вселенной, сегодня стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Одним из ярких примеров этого является технология «камера на чипе», разработанная в Лаборатории реактивного движения NASA (JPL). Эти инновации теперь используются в миллиардах устройств, таких как смартфоны, которые ежедневно находятся в руках миллионов людей по всему миру.

История возникновения технологии

В 1980-х годах основные технологии для создания высококачественных изображений в космических науках, включая потрясающие снимки с телескопа Хаббл, использовали технологии зарядно-связанных устройств (CCD). Доктор Эрик Фоссум, который начал свою карьеру в JPL в 1990 году, был назначен для улучшения CCD-технологий для межпланетных миссий. Однако он вскоре переключился на развитие технологии комплементарного металлоксидного полупроводника (CMOS), которая оказалась более перспективной.

Находясь в JPL, Фоссум применил метод, часто использовавшийся в CCD, к CMOS-датчикам, что привело к созданию первого активного пиксельного изображения CMOS. Этот прорыв стал отправной точкой для дальнейшего использования CMOS не только в космических миссиях, но и в миллиардах камер, используемых в смартфонах, веб-камерах, автомобилях и медицинских устройствах по всему миру.

Преимущества CMOS-технологии

В 1990 году CCD-сенсоры были основной технологией для получения высококачественных изображений. CCD-датчики представляют собой массивы пикселей, которые преобразуют свет в электрические заряды, передавая информацию поэтапно к выходному усилителю. Несмотря на высокое качество изображений, CCD требуют значительных энергозатрат и надежного процесса передачи заряда.

В отличие от них, CMOS-датчики имеют усилители сигнала внутри каждого пикселя, что позволяет считывать информацию непосредственно с каждого пикселя без необходимости передачи на большое расстояние. Это делает CMOS менее энергозатратными и значительно снижает проблемы, связанные с передачей заряда, такие как чувствительность к радиации. Хотя в 1990-х годах CMOS-датчики существовали, они производили слишком много шума для научных приложений.

Чтобы уменьшить шум сигнала, характерный для CMOS в то время, Фоссум применил технику, называемую «внутрипиксельный перенос заряда с коррелированной двойной выборкой». Этот метод позволяет проводить двойное измерение напряжения пикселя без и с зарядом, генерируемым светом. Вычитание значений этих двух выборок позволяет подавить шум, улучшая отношение сигнал/шум.

Коммерциализация и развитие технологий

Скоро несколько компаний подписали Соглашения о сотрудничестве в области технологий с JPL и начали совместную работу с Фоссумом и его коллегами над новыми перспективными технологиями. В 1995 году Фоссум и его коллега доктор Сабрина Кемен лицензировали технологию от CalTech и основали компанию Photobit для разработки CMOS-датчиков. В 1996 году Фоссум покинул JPL, чтобы работать в Photobit на полный рабочий день, где команда продолжила совершенствовать технологию CMOS, приближая её к возможностям CCD, снижая потребление энергии и удешевляя производство.

Вскоре CMOS-камеры начали использовать в веб-камерах, «капсулах» (небольших устройствах, которые можно проглотить и которые делают тысячи высококачественных снимков пищеварительного тракта), и в других приложениях. В 2001 году Photobit была приобретена компанией Micron Technology, которая вложила еще больше ресурсов в развитие технологии CMOS. С последующим бумом в индустрии мобильных телефонов, к 2013 году производилось более миллиарда CMOS-датчиков в год, а к настоящему времени это число возросло до семи миллиардов.

Где мы сейчас?

Технология CMOS, разработанная доктором Фоссумом, не только оказала влияние на космические науки, но и проникла в устройства, которые мы используем каждый день, существенно преобразовав многие аспекты нашей жизни. Практически все цифровые фотокамеры и видеокамеры, включая камеры в мобильных телефонах, используют эту технологию. Кроме того, CMOS применяется в автомобильной электронике, веб-камерах, спортивных камерах, промышленном оборудовании, камерах безопасности, включая дверные звонки, и в медицинской и стоматологической визуализации.

CMOS-датчики также используются в инженерных камерах для обеспечения входа, спуска и посадки марсохода Perseverance от NASA, в камере на борту миссии OCO-3 (Orbiting Carbon Observatory-3), которая отслеживает распределение углекислого газа на Земле, и в научных камерах миссии Parker Solar Probe, революционизирующей наше понимание Солнца. CMOS-датчики направляются на спутник Юпитера Европа в рамках миссии Europa Clipper, а также разрабатывается ультрафиолетовая версия с дельта-допированием для предстоящей миссии UVEX (UltraViolet EXplorer), которая даст представление о том, как развиваются галактики и звезды.

Заключение

Таким образом, технологии, изначально разработанные для космоса, стали основой для множества приложений в нашей повседневной жизни, от смартфонов до медицинских устройств. Это удивительное превращение технологий не только демонстрирует возможности инженерной мысли, но и подчеркивает, как наука и инновации могут изменить наше восприятие мира.