Камера, изменившая мир

Доктор Эрик Р. Фоссум — изобретатель CMOS-сенсора изображения, который часто называют «камерой на чипе». Именно эта технология сделала возможными компактные камеры высокого разрешения в смартфонах, дверных звонках, системах помощи водителю и космических аппаратах.

История разработки началась с потребностей NASA и Лаборатории реактивного движения (JPL). Космическим аппаратам требовались небольшие камеры, способные получать детальные изображения, потребляя минимум энергии. JPL стала одним из центров развития цифровой съёмки для космических миссий: инженеры научились передавать изображения с больших расстояний и создавать надёжные системы, работающие в жёстких условиях и в широком диапазоне длин волн. Ещё в 1961 году сотрудник JPL Eugene F. Lally, вероятно, одним из первых предложил идею мозаичной регистрации изображения — массива отдельных пикселей.

До появления CMOS использовали фотоплёнку и CCD-сенсоры. Камеры Hasselblad, специально созданные для миссии Apollo 11, были настолько тяжёлыми, что астронавты оставили их на Луне, забрав на Землю только отснятые плёнки. CCD работали с пикселями, которые передавали электрический заряд к общему усилителю построчно. Такие сенсоры давали более качественные изображения при меньшей массе, чем плёнка, но потребляли много энергии и выделяли значительное количество тепла.

В CMOS-сенсоре каждый пиксель получил собственную схему преобразования и усилитель. Благодаря этому пиксели можно считывать параллельно, одновременно снижая энергопотребление и нагрев. Так космическая разработка постепенно оказалась в карманах миллиардов людей.

Фоссум признаёт, что рассчитывал на широкое распространение технологии, но не мог предвидеть её влияние на социальные сети, гражданскую журналистику и общественную справедливость. Камеры помогают защищать добросовестных сотрудников правоохранительных органов и фиксировать нарушения со стороны недобросовестных. Одновременно они создают риски для частной жизни и личной свободы, и учёный не скрывает, что обеспокоен этим развитием.

По словам Фоссума, особенно символично, что созданная при участии NASA технология используется не только в смартфонах, но и в современных космических миссиях. Это воплощает первоначальную цель: сделать камеры быстрее, дешевле и лучше.

Позднейшим направлением стала CMOS QIS — система, способная благодаря крайне низкому шуму считывания регистрировать отдельные фотоны, то есть мельчайшие порции света, и точно подсчитывать их при комнатной температуре и низком напряжении. Разработка, начатая в Dartmouth College и продолженная в компании Gigajot, использует перенос заряда внутри пикселя и очень малую ёмкость узла считывания. Это позволяет получить достаточно сильный сигнал даже от одного фотоэлектрона, чтобы отличить его от теплового шума кремния.

Похожую задачу решают SPAD-сенсоры — однофотонные лавинные фотодиоды. Они имеют более крупные пиксели и потребляют больше энергии, чем CMOS QIS, зато точнее фиксируют момент прихода фотона и могут производиться в технологическом процессе, совместимом с CMOS-схемами.

Фоссум считает важными достижения в области трёхмерной интеграции и многослойных сенсоров. Размещение вычислительных функций непосредственно рядом с зоной формирования изображения может улучшить съёмку и анализ данных. Учёный мечтал о «умных» сенсорах ещё в 1980-х, но тогда технологии были недостаточно зрелыми.

Он отмечает, что локальные вычисления внутри пикселей сравнительно просты, а обработка изображения целиком сложнее: приходится анализировать разные области и обмениваться данными. Поэтому будущие системы, вероятно, будут сочетать обработку на фокальной плоскости с региональными и глобальными вычислениями за пределами сенсора, чтобы не перегружать чип энергопотреблением.

Фоссум также участвовал в проектах по считыванию голографической оптической памяти, однако основное внимание уделял сенсорам и высокоскоростной передаче данных. Он подчёркивает, что современные камеры стали возможны благодаря работе тысяч инженеров по всему миру.

Учёный состоит в IEEE — международной профессиональной организации инженеров и исследователей — со студенческих лет и является её пожизненным членом. Он публиковал работы в направлениях электронных приборов и твердотельных схем, участвовал в конференциях IEDM и ISSCC, а также был одним из основателей International Image Sensor Workshop в 1986 году.

Фоссум пользуется инструментами искусственного интеллекта, в частности Co-Pilot, и считает их полезными для поиска и систематизации информации. Но он предупреждает: всегда нужно понимать, кому прямо или косвенно передаются сведения и идеи, и задавать неудобные вопросы крупным компаниям, развивающим ИИ.