Başlangıçta Uzay Görevleri İçin Geliştirilen Teknoloji Artık Günlük Yaşamın Bütünleyicisi

1980'lerde, uzay bilimi için yüksek kaliteli görüntüler üretmek için kullanılan sensörler (NASA'nın Hubble Uzay Teleskobu'ndan alınan muhteşem görüntüler dahil) ve diğer uygulamalar, yük bağlantılı cihaz (CCD) teknolojisini kullanıyordu. Dr. Eric Fossum ilk olarak 1990 yılında JPL'de gezegenler arası uzay görevlerinde kullanılmak üzere CCD teknolojisini geliştirmek için işe alındı, ancak sonunda bu amaç ve çok daha fazlası için tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) teknolojisi adı verilen başka bir teknolojiyi geliştirmeyi başardı. JPL'deyken Fossum, CCD'ler için yaygın olarak kullanılan bir teknikten yararlandı ve bunu ilk CMOS aktif piksel görüntü sensörünü geliştirmek için CMOS sensörlerine uyguladı. Bu gelişme, CMOS teknolojisinin yalnızca uzay bilimi görevlerinde değil, aynı zamanda dünya çapında kullanılan akıllı telefonlar, web kameraları, otomobiller ve tıbbi cihazlardaki milyarlarca kamerada da kullanılmasına yol açan bir olaylar zincirini başlattı.

Yeni bir teknoloji ortaya çıkıyor…

1990 yılında CCD'ler yüksek kaliteli görüntüler üretmek için kullanılan birincil teknolojiydi. CCD sensörleri, ışığı elektrik yüklerine dönüştüren piksel dizilerinden oluşur. Her pikselden gelen yük, adım adım sensörün köşesindeki bir çıkış amplifikatörüne aktarılır ve ilgili pikselde alınan ışığın parlaklığını temsil eden bir voltaja dönüştürülür. Daha sonra tüm piksellerden gelen veriler bir görüntü oluşturmak için toplanır. CCD kameralar bilimsel kullanıma uygun, çok yüksek kalitede görüntüler üretebilirken, etkili olabilmesi için çok fazla güce ve verimli bir yük aktarma işlemine ihtiyaç duyarlar.

CMOS sensörler ise her pikselin içinde sinyal amplifikatörlerine sahiptir ve sinyaller, dönüşüm için uzak mesafelerden bir amplifikatöre aktarılmak yerine her pikselden doğrudan okunabilir. CMOS sensörleri bu nedenle çalışmak için CCD'lere göre daha az voltaj gerektirir ve radyasyon duyarlılığı gibi yük aktarım süreciyle ilgili sorunlar büyük ölçüde azalır. CMOS sensörleri 1990'lı yıllarda mevcut olmasına rağmen, bilim uygulamaları için gerekli olan yüksek kaliteli görüntüleri üretemeyecek kadar fazla gürültü üretiyorlardı.

O dönemde CMOS sensörlerine özgü sinyal gürültüsünü azaltmak için Fossum, CCD cihazlarında sıklıkla kullanılan bir tekniği uyguladı. "İlişkili çift örneklemeyle piksel içi yük aktarımı" olarak adlandırılan bu teknik, bir pikselin voltajının, ışıkla üretilen yük olmadan ve ışıkla üretilen yük ile çift ölçümünü mümkün kılar. Bu iki numunenin değerlerinin çıkarılması, gürültünün bastırılmasını sağlayarak sinyal-gürültü oranını iyileştirir.

Sonraki adımlar

Kısa süre sonra birçok şirket JPL ile Teknoloji İşbirliği Anlaşmaları imzaladı ve gelecek vaat eden yeni teknolojiyi geliştirmek için Fossum ve meslektaşlarıyla ortaklık kurdu. 1995 yılında Fossum ve iş arkadaşı Dr. Sabrina Kemeny, teknolojinin CalTech'ten lisansını aldı ve CMOS sensörleri geliştirmek için Photobit adında bir şirket kurdu. 1996 yılında Fossum, Photobit'te tam zamanlı çalışmak üzere JPL'den ayrıldı. Photobit ekibi CMOS teknolojisini CCD özelliklerine yaklaştırmak, güç gereksinimlerini azaltmak ve üretimi daha ucuz hale getirmek için daha da geliştirdi.

Kısa bir süre sonra CMOS kameralar web kameralarında, "hap kameralarında" (sindirim sisteminin binlerce yüksek çözünürlüklü görüntüsünü almak için küçük bir kamera içeren küçük, yutulabilir cihazlar) ve diğer uygulamalarda kullanılmaya başlandı. 2001 yılında Photobit, CMOS teknolojisinin geliştirilmesine daha da fazla kaynak ayıran daha büyük bir şirket olan Micron Technology tarafından satın alındı. Cep telefonu endüstrisindeki patlamayla birlikte 2013 yılına kadar her yıl bir milyardan fazla CMOS sensörü üretildi ve bugün bu sayı yılda yaklaşık yedi milyara çıktı.

Peki bu sensörler şimdi nerede?

Dr. Fossum'un orijinal olarak geliştirdiği CMOS teknolojisi yalnızca uzay bilimini mümkün kılmakla kalmadı, aynı zamanda her gün bağımlı olduğumuz cihazlara da dahil edildi ve hayatımızın birçok yönünü dramatik ve olumlu bir şekilde değiştirdi. Cep telefonlarındakiler de dahil olmak üzere neredeyse tüm dijital sabit ve video kameralar bunları kullanır. Ayrıca CMOS teknolojisi, diğer birçok uygulamanın yanı sıra otomotiv elektroniği, web kameraları, spor kameraları, endüstriyel ekipmanlar, kapı zilleri dahil güvenlik kameraları ve sinematografi kameralarında ve tıbbi ve dişçilik görüntülemede kullanılmaktadır.

CMOS görüntüleyiciler, ticari ve tüketici pazarına hakim olmanın yanı sıra, NASA'nın Perseverance Mars gezgininin girişini, inişini ve inişini sağlayan mühendislik kameraları olarak, Dünya üzerindeki karbondioksit dağılımını izleyen OCO-3 (Yörüngeli Karbon Gözlemevi-3) görevindeki kamerada ve NASA'nın Güneş anlayışımızda devrim yaratan Parker Solar Probe görevinde bilimsel görüntüleyiciler olarak kullanıldı. CMOS görüntüleyicileri, ajansın Europa Clipper görevi kapsamında Jüpiter'in ayı Europa'ya doğru yola çıktı ve galaksilerin ve yıldızların nasıl geliştiğine dair fikir verecek olan yaklaşan UVEX (UltraViolet EXplorer) görevinde kullanılmak üzere özel tepkili delta katkılı ultraviyole versiyonu geliştirilme aşamasındadır.

CMOS görüntüleyiciler, CubeSats ve SmallSats'ın başlatılmasını ve konuşlandırılmasını izlemek için rutin olarak kullanılır. Yakın zamanda dış gezegen atmosferlerini ve onlara ev sahipliği yapan yıldızları karakterize edecek küçük bir uydu olan Pandora'nın konuşlandırılmasını izlemek için kullanıldılar; BLACKCAT (Kara Delik Kodlu Açıklık Teleskobu), küçük bir X-ışını teleskopu; ve sistemlerindeki ötegezegenlerin yaşanabilirliğine ilişkin bağlam sağlamak amacıyla düşük kütleli yıldızların yıldız parlamalarını ultraviyole olarak izlemek ve karakterize etmek için tasarlanan SPARCS (Yıldız-Gezegen Aktivite Araştırması CubeSat) misyonu. NASA aynı zamanda Yaşanabilir Dünyalar Gözlemevi gibi Dünya'nın ötesindeki yaşamı arayacak görevlerde kullanılmak üzere bu teknolojinin torunlarını da geliştiriyor.

Bu CMOS teknolojisinin yarattığı etkinin bilincinde olarak, Ulusal Mühendislik Akademisi (NAE), Dr. Fossum'u 2026 Charles Stark Draper Mühendislik Ödülü'nün sahibi ilan etti “tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) aktif piksel görüntü sensörünün 'çip üzerinde kamera'nın yeniliği, geliştirilmesi ve ticarileştirilmesi için.” NAE bu ödülü, “başarısı yaşam kalitesini artırarak, özgür ve rahat yaşama yeteneği sağlayarak ve/veya bilgiye erişime izin vererek toplumu önemli ölçüde etkileyen” bir mühendisi onurlandırmak için iki yılda bir veriyor.

Sponsor Kuruluşlar: JPL'nin bu CMOS teknolojisini geliştirmeye yönelik orijinal çabaları JPL ve NASA tarafından finanse edildi.