La cámara que cambió el mundo
El doctor Eric R. Fossum es el inventor del sensor de imagen CMOS, al que a menudo se llama «cámara en un chip». Esta tecnología hizo posibles las cámaras compactas de alta resolución en teléfonos inteligentes, timbres con cámara, sistemas de asistencia a la conducción y naves espaciales.
La historia de su desarrollo comenzó con las necesidades de la NASA y del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL). Las naves espaciales necesitaban cámaras pequeñas capaces de obtener imágenes detalladas con un consumo mínimo de energía. El JPL se convirtió en uno de los centros de desarrollo de la fotografía digital para misiones espaciales: sus ingenieros aprendieron a transmitir imágenes desde grandes distancias y a crear sistemas fiables que funcionaran en condiciones adversas y en un amplio rango de longitudes de onda. Ya en 1961, Eugene F. Lally, empleado del JPL, probablemente fue uno de los primeros en proponer la idea de registrar imágenes en mosaico, mediante una matriz de píxeles independientes.
Antes de la aparición del CMOS se utilizaban película fotográfica y sensores CCD. Las cámaras Hasselblad, diseñadas especialmente para la misión Apolo 11, pesaban tanto que los astronautas las dejaron en la Luna y solo trajeron a la Tierra las películas expuestas. Los CCD funcionaban con píxeles que transferían la carga eléctrica, fila por fila, a un amplificador común. Estos sensores ofrecían imágenes de mayor calidad con menos peso que la película, pero consumían mucha energía y generaban una cantidad considerable de calor.
En el sensor CMOS, cada píxel recibió su propio circuito de conversión y amplificador. Así se pueden leer los píxeles en paralelo, al tiempo que se reducen el consumo de energía y el calentamiento. Poco a poco, un desarrollo espacial acabó en los bolsillos de miles de millones de personas.
Fossum reconoce que esperaba que la tecnología se difundiera ampliamente, pero no podía prever su impacto en las redes sociales, el periodismo ciudadano y la justicia social. Las cámaras ayudan a proteger a los agentes de las fuerzas del orden que actúan correctamente y a dejar constancia de los abusos de quienes no lo hacen. Al mismo tiempo, plantean riesgos para la privacidad y la libertad personal, y el científico no oculta su preocupación por esta evolución.
Según Fossum, resulta especialmente simbólico que una tecnología desarrollada con la participación de la NASA se utilice no solo en teléfonos inteligentes, sino también en las misiones espaciales actuales. Esto encarna el objetivo original: crear cámaras más rápidas, baratas y mejores.
Una línea de desarrollo posterior fue CMOS QIS, un sistema capaz, gracias a un ruido de lectura extremadamente bajo, de detectar fotones individuales —las porciones más pequeñas de luz— y contarlos con precisión a temperatura ambiente y baja tensión. El desarrollo, iniciado en Dartmouth College y continuado en la empresa Gigajot, utiliza la transferencia de carga dentro del píxel y una capacidad muy pequeña en el nodo de lectura. Esto permite obtener una señal suficientemente intensa incluso de un solo fotoelectrón para distinguirlo del ruido térmico del silicio.
Los sensores SPAD, diodos de avalancha de fotón único, resuelven un problema parecido. Tienen píxeles más grandes y consumen más energía que CMOS QIS, pero registran con mayor precisión el momento de llegada del fotón y pueden fabricarse con un proceso tecnológico compatible con los circuitos CMOS.
Fossum considera importantes los avances en integración tridimensional y sensores multicapa. Situar funciones de procesamiento justo al lado de la zona de formación de imagen puede mejorar la captura y el análisis de datos. El científico soñaba con sensores «inteligentes» ya en los años ochenta, pero entonces la tecnología aún no estaba suficientemente madura.
Señala que los cálculos locales dentro de los píxeles son relativamente sencillos, mientras que procesar la imagen completa es más difícil: hay que analizar distintas zonas e intercambiar datos. Por eso, es probable que los sistemas del futuro combinen el procesamiento en el plano focal con cálculos regionales y globales fuera del sensor, para no sobrecargar el chip con el consumo energético.
Fossum también participó en proyectos de lectura de memoria óptica holográfica, aunque dedicó la mayor parte de su atención a los sensores y a la transmisión de datos a alta velocidad. Subraya que las cámaras actuales son posibles gracias al trabajo de miles de ingenieros de todo el mundo.
Es miembro de IEEE —la organización profesional internacional de ingenieros e investigadores— desde sus años de estudiante y es miembro vitalicio. Ha publicado trabajos sobre dispositivos electrónicos y circuitos de estado sólido, ha participado en las conferencias IEDM e ISSCC y fue uno de los fundadores del International Image Sensor Workshop en 1986.
Fossum utiliza herramientas de inteligencia artificial, en particular Co-Pilot, y las considera útiles para buscar y organizar información. Pero advierte de que siempre hay que saber a quién se transmiten directa o indirectamente los datos y las ideas, y plantear preguntas incómodas a las grandes empresas que desarrollan IA.
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El artículo repasa la historia del sensor de imagen CMOS, una tecnología a la que a menudo se llama «cámara en un chip». Su inventor, el doctor Eric R. Fossum, desarrolló el sensor para crear cámaras compactas y eficientes capaces de funcionar en naves espaciales. Más tarde, el CMOS se convirtió en la base de la mayoría de las cámaras actuales: las de teléfonos inteligentes, timbres con cámara, sistemas de asistencia a la conducción y equipos espaciales.
Antes del CMOS se utilizaban película fotográfica y CCD. Durante el Apolo 11, las cámaras Hasselblad especiales pesaban demasiado para traerlas de vuelta a la Tierra, así que los astronautas las dejaron en la Luna y se llevaron solo las películas. Los sensores CCD eran más ligeros y ofrecían imágenes de mayor calidad, pero consumían mucha energía y generaban calor. El CMOS resolvió ese problema al dotar a cada píxel de su propio circuito de conversión y amplificador. Esto permitió leer los píxeles en paralelo y reducir el consumo de energía y el calentamiento.
El desarrollo de la fotografía digital espacial está ligado a la NASA y al JPL. Sus ingenieros aprendieron a transmitir imágenes desde naves lejanas y a crear sensores fiables para condiciones difíciles. En 1961, Eugene F. Lally probablemente fue uno de los primeros en proponer la idea de registrar imágenes en mosaico, es decir, formar una imagen con una matriz de píxeles.
Fossum afirma que esperaba que el CMOS se difundiera masivamente, pero no imaginaba su impacto en las redes sociales, el periodismo ciudadano y las cuestiones de justicia social. Las cámaras permiten documentar abusos y proteger a los agentes de las fuerzas del orden que actúan correctamente, aunque también ponen en riesgo la privacidad y la libertad personal.
El científico describe también CMOS QIS, un sensor con un ruido de lectura extremadamente bajo, capaz de detectar fotones individuales y contarlos con precisión a temperatura ambiente y baja tensión. Otro enfoque lo ofrecen los sensores SPAD: son más grandes y consumen más energía, pero registran con mayor precisión el momento en que llegan los fotones.
Fossum considera prometedores la integración tridimensional y los sensores multicapa, en los que parte del procesamiento se lleva a cabo directamente en la zona de formación de imagen. Los cálculos locales dentro del sensor son relativamente sencillos, pero analizar toda la escena exige intercambiar datos entre distintas zonas; por ello, las operaciones globales pueden realizarse fuera del chip.
Fossum es miembro de IEEE desde sus años de estudiante, ha publicado investigaciones sobre dispositivos electrónicos y circuitos de estado sólido, ha participado en las conferencias IEDM e ISSCC y fue uno de los fundadores del International Image Sensor Workshop en 1986. Utiliza Co-Pilot y considera útiles las herramientas de IA para buscar y organizar información, pero pide prestar atención a quién recibe los datos y las ideas.
