Sensores CMOS possibilitaram câmeras em celulares

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“As pessoas me disseram: ‘Você é um idiota por trabalhar nisso'”, lembra Eric Fossum sobre seus primeiros experimentos com o que era na época uma forma alternativa de sensor de imagem digital no Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) da NASA.

Sua invenção do sensor de imagem complementar de óxido de metal (CMOS) se tornaria a tecnologia spinoff mais onipresente, dominando as indústrias de imagens digitais e permitindo câmeras de celular, vídeo de alta definição e mídias sociais como as conhecemos.

Eric Fossum
Eric Fossum

Dispositivos de imagem baseados em dispositivos semicondutores de óxido de metal foram testados desde a década de 1960, mas ninguém jamais conseguiu tornar a tecnologia comercializável. Em vez disso, uma tecnologia de imagem diferente, usando sensores baseados no dispositivo de carga acoplada (CCD), permitiu que a fotografia digital de alta qualidade amadurecesse no final dos anos 1980. Esses sensores de imagem compreendem uma matriz de pixels de fotodetecção que coletam cargas quando expostos à luz e transferem essas cargas, pixel a pixel, para o canto da matriz, onde são amplificados e medidos.

Embora os sensores CCD sejam capazes de produzir imagens de nível científico, eles exigem muita energia e uma eficiência de transferência de carga extremamente alta. Essas dificuldades são agravadas quando o número de pixels é aumentado para resoluções mais altas ou quando as taxas de quadros do vídeo são aceleradas.

Fossum era um especialista em tecnologia CCD — foi por isso que a JPL o contratou em 1990 — mas ele acreditava que poderia fazer imagens digitais com máquinas menores e mais leves usando a tecnologia CMOS para criar o que ele chamou de sensores de pixel ativos (APS) (Spinoff 1999, 2002, 2010).

CMOS
Sensor de imagem CMOS

A tecnologia CMOS em geral havia melhorado desde as tentativas anteriores de usá-la para detecção de imagens, e Fossum encontrou uma abordagem para reduzir o ruído do sinal que atormentava os imageadores anteriores, aplicando uma técnica chamada transferência de carga intra-pixel com amostragem dupla correlacionada – algo que já existia usado em CCDs. Usando essa técnica, ele mediu a tensão de um pixel antes e depois de uma exposição. A amostragem corrigida para as leves cargas térmicas e flutuações do transistor que estão latentes na leitura do fotodetector, resultou em uma imagem mais clara.

CCD
Sensor CCD

Como os pixels CMOS são eles mesmos amplificadores de sinal, cada um deles pode ler seus próprios sinais, em vez de transferir todas as cargas para um único amplificador. Essa tecnologia tinha o benefício adicional de permitir que quase todos os outros componentes eletrônicos da câmera fossem integrados ao chip do computador com a matriz de pixels usando processos de produção CMOS convencionais, um desenvolvimento que tornaria os sensores CMOS-APS mais compactos, confiáveis ​​e baratos.

A própria ideia da fotografia digital foi idealizada no JPL pelo engenheiro Eugene Lally na década de 1960. Agora, o conceito de uma câmera digital em um chip compartilhou o mesmo local de nascimento.

Eugene Lally
Eugene Lally

Apesar das dúvidas iniciais sobre o potencial do CMOS, várias empresas assinaram Acordos de Cooperação Tecnológica com o JPL e fizeram parceria com Fossum e seus colegas para desenvolver a tecnologia.

Em 1995, Fossum se tornou o primeiro cientista do JPL a licenciar sua própria invenção do California Institute of Technology (Caltech), que gerencia o laboratório, já que ele, sua então esposa e colega do JPL, Sabrina Kemeny, e dois outros colegas de trabalho do JPL fundaram uma empresa, Photobit, para desenvolver sensores personalizados. O Escritório de Transferência de Tecnologia da Caltech foi criado naquele ano, e o escritório concedeu à Photobit uma licença exclusiva.

No ano seguinte, Fossum deixou o JPL para se tornar o líder tecnológico em tempo integral da empresa. Além de projetar sensores personalizados, a Photobit licenciou tecnologia para empresas como Kodak e Intel, embora a maioria dessas licenças anteriores não levasse a linhas de produtos. Em 1997, no entanto, o CMOS estava sendo levado a sério e várias empresas investiram na Photobit.

Antecipando uma forte concorrência, em 2001 os fundadores venderam a Photobit para a Micron Technology, que poderia trazer mais recursos e capacidade de fabricação. Naquela época, a empresa – e a subsidiária Photobit Technology Corporation, criada para lidar com contratos de design personalizado – havia construído um negócio saudável para si mesma e a aquisição da indústria de imagens pela CMOS começou.

Antes de a Photobit ser vendida, seus sensores haviam entrado em webcams feitas pela Logitech e Intel, bem como “câmeras de comprimidos” ingeríveis que ainda são oferecidas como uma técnica de endoscopia não invasiva. “Sinto-me muito bem com isso”, diz Fossum. “Ainda é usado. Tornou-se uma grande indústria. ”

As câmeras digitais reflex de lente única, mais conhecidas como DSLRs, também foram as primeiras a adotar a tecnologia CMOS, que permitia disparos rápidos em alta resolução.

Mas, de longe, o uso mais amplo das câmeras pequenas e de baixo consumo habilitadas pela tecnologia CMOS foi em celulares. “Os telefones celulares se tornaram o ‘aplicativo matador’”, diz Fossum. “A duração da bateria e o tamanho da câmera são muito importantes em um telefone celular.”

Para a Caltech, os retornos financeiros do licenciamento, que financia a pesquisa e a educação, são apenas parte do benefício da história de sucesso do CMOS, diz Farina. “Isso ajuda a motivar outros pesquisadores da Caltech e do JPL, e para toda a cultura do empreendedorismo é realmente poderoso ter boas histórias.”

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Fonte: https://spinoff.nasa.gov/Spinoff2017/cg_1.html

https://spinoff.nasa.gov/spinoff1999/ch2.htm

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