NASA'nın Jet İtki Laboratuvarı'nda (JPL) uzay görevlerinde kullanılmak üzere geliştirilen çığır açan "çip üzerinde kamera" teknolojisi, günümüzde dünya çapında insanların günlük olarak kullandığı cep telefonları gibi milyarlarca cihazda kullanılmaktadır.
1980'lerde, uzay bilimi (NASA'nın Hubble Uzay Teleskobu'ndan elde edilen muhteşem görüntüler de dahil olmak üzere) ve diğer uygulamalar için yüksek kaliteli görüntüler üretmek amacıyla kullanılan sensörler, şarj bağlantılı cihaz (CCD) teknolojisini kullanıyordu. Dr. Eric Fossum, 1990 yılında JPL'de gezegenler arası uzay görevlerinde kullanılmak üzere CCD teknolojisini geliştirmek için işe alındı, ancak bu amaçla ve çok daha fazlası için tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) teknolojisi adı verilen başka bir teknolojiyi geliştirdi. JPL'deyken Fossum, CCD'ler için yaygın olarak kullanılan bir tekniği CMOS sensörlerine uygulayarak ilk CMOS aktif piksel görüntü sensörünü geliştirdi. Bu gelişme, CMOS teknolojisinin yalnızca uzay bilimi görevlerinde değil, aynı zamanda dünya çapında kullanılan milyarlarca akıllı telefon, web kamerası, otomobil ve tıbbi cihaz kamerasında da kullanılmasına yol açan bir olaylar zincirini başlattı.
Yeni bir teknoloji ortaya çıkıyor…
1990'larda, yüksek kaliteli görüntüler üretmek için kullanılan başlıca teknoloji CCD'lerdi. CCD sensörleri, ışığı elektrik yüklerine dönüştüren piksel dizilerinden oluşur. Her pikselden gelen yük, sensörün köşesindeki bir çıkış yükselticisine adım adım aktarılır ve ilgili pikselde alınan ışığın parlaklığını temsil eden bir gerilime dönüştürülür. Daha sonra tüm piksellerden gelen veriler bir araya getirilerek bir görüntü oluşturulur. CCD kameralar bilimsel kullanım için uygun, çok yüksek kaliteli görüntüler üretebilse de, etkili olabilmeleri için çok fazla güç ve verimli bir yük transfer sürecine ihtiyaç duyarlar.
Öte yandan, CMOS sensörlerinde her piksel içinde sinyal yükselticiler bulunur ve sinyaller, dönüştürme için uzun mesafeler katedilerek bir yükselticiye gönderilmek yerine, her pikselden doğrudan okunabilir. Bu nedenle, CMOS sensörleri CCD'lere göre çalışmak için daha az voltaj gerektirir ve radyasyona duyarlılık gibi yük transfer süreciyle ilgili sorunlar büyük ölçüde azalır. CMOS sensörleri 1990'larda mevcut olmasına rağmen, bilimsel uygulamalar için gerekli olan yüksek kaliteli görüntüler üretmek için çok fazla gürültü üretiyorlardı.
O dönemdeki CMOS sensörlerinde tipik olan sinyal gürültüsünü azaltmak için Fossum, CCD cihazlarında sıklıkla kullanılan bir tekniği uyguladı. "İlişkili çift örneklemeli piksel içi yük transferi" olarak adlandırılan bu teknik, bir pikselin voltajının ışıkla üretilen yük olmadan ve yükle birlikte iki kez ölçülmesini sağlar. Bu iki örneğin değerlerinin çıkarılması, gürültünün bastırılmasını ve sinyal-gürültü oranının iyileştirilmesini sağlar.
Sonraki adımlar
Kısa süre sonra birçok şirket JPL ile Teknoloji İşbirliği Anlaşmaları imzaladı ve Fossum ve meslektaşlarıyla birlikte umut vadeden yeni teknolojiyi geliştirmek için ortaklık kurdu. 1995 yılında Fossum ve çalışma arkadaşı Dr. Sabrina Kemeny, teknolojiyi CalTech'ten lisanslayarak CMOS sensörleri geliştirmek üzere Photobit adlı bir şirket kurdu. 1996 yılında Fossum, Photobit'te tam zamanlı çalışmak üzere JPL'den ayrıldı. Photobit ekibi, CMOS teknolojisini CCD yeteneklerine daha da yaklaştırmak, güç gereksinimlerini azaltmak ve üretimi daha ucuz hale getirmek için daha da geliştirdi.
Kısa bir süre sonra, CMOS kameralar web kameralarında, "hap kameralarda" (sindirim sisteminin binlerce yüksek çözünürlüklü görüntüsünü çekmek için küçük bir kamera içeren, yutulabilir küçük 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 sensör üretildi ve bugün bu sayı yılda yaklaşık yedi milyara ulaştı.
Bu sensörler şu anda nerede?
Dr. Fossum'un geliştirdiği CMOS teknolojisi sadece uzay bilimini mümkün kılmakla kalmadı, aynı zamanda günlük hayatta kullandığımız cihazlara da entegre edilerek hayatımızın birçok yönünü önemli ölçüde ve olumlu yönde dönüştürdü. Cep telefonlarındaki kameralar da dahil olmak üzere neredeyse tüm dijital fotoğraf ve video kameralar bu teknolojiyi kullanıyor. Ayrıca, CMOS teknolojisi otomotiv elektroniğinde, web kameralarında, spor kameralarında, endüstriyel ekipmanlarda, kapı zilleri de dahil olmak üzere güvenlik kameralarında, sinematografi kameralarında ve tıbbi ve diş görüntüleme gibi birçok uygulamada kullanılıyor.
Ticari ve tüketici pazarında hakimiyet kurmalarının yanı sıra, CMOS görüntüleyiciler, NASA'nın Perseverance Mars gezgininin giriş, iniş ve yerleşmesini sağlayan mühendislik kameraları olarak, Dünya'daki karbondioksit dağılımını izleyen OCO-3 (Orbiting Carbon Observatory-3) misyonundaki kamerada ve Güneş hakkındaki anlayışımızı devrim niteliğinde değiştiren NASA'nın Parker Solar Probe misyonunda bilimsel görüntüleyiciler olarak kullanılmıştır. CMOS görüntüleyiciler, ajansın Europa Clipper misyonuyla Jüpiter'in uydusu Europa'ya doğru yola çıkmıştır ve galaksilerin ve yıldızların nasıl evrimleştiğine dair bilgi sağlayacak olan yakında çıkacak UVEX (UltraViolet EXplorer) misyonunda kullanılmak üzere özel tepkili delta katkılı ultraviyole bir versiyonu geliştirilmektedir.
CMOS görüntüleyiciler, CubeSat ve SmallSat uydularının fırlatılması ve konuşlandırılmasının izlenmesinde rutin olarak kullanılmaktadır. Son zamanlarda, ötegezegen atmosferlerini ve ev sahibi yıldızlarını karakterize edecek küçük bir uydu olan Pandora'nın; küçük bir X-ışını teleskobu olan BLACKCAT'in (Kara Delik Kodlu Açıklıklı Teleskop); ve sistemlerindeki ötegezegenlerin yaşanabilirliğine dair bağlam sağlamak için düşük kütleli yıldızların ultraviyole ışınlarındaki yıldız patlamalarını izlemek ve karakterize etmek üzere tasarlanmış SPARCS (Yıldız-Gezegen Aktivite Araştırma CubeSat) görevinin konuşlandırılmasının izlenmesinde kullanıldılar. NASA ayrıca, Yaşanabilir Dünyalar Gözlemevi gibi Dünya dışında yaşam arayacak görevlerde kullanılmak üzere bu teknolojinin türevlerini geliştiriyor.
CMOS teknolojisinin yarattığı etkiyi göz önünde bulundurarak, Ulusal Mühendislik Akademisi (NAE), Dr. Fossum'u "tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) aktif piksel görüntü sensörü 'çip üzerinde kamera'nın inovasyonu, geliştirilmesi ve ticarileştirilmesi" nedeniyle 2026 Charles Stark Draper Mühendislik Ödülü'ne layık gördü . NAE, bu ödülü iki yılda bir, "yaşam kalitesini iyileştirerek, özgür ve rahat bir yaşam sürme olanağı sağlayarak ve/veya bilgiye erişimi mümkün kılarak toplumu önemli ölçüde etkileyen" bir mühendisi onurlandırmak için veriyor.
Destekleyen Kuruluşlar: JPL'de bu CMOS teknolojisini geliştirmeye yönelik ilk çalışmalar JPL ve NASA tarafından finanse edilmiştir.
Paylaşmak
Detaylar
İlgili Terimler
Daha Fazlasını Keşfedin
Uzay Bilimi ve Uzay Hava Durumu Görevleri için Yüksek Doğruluklu Fluxgate Çekirdekleri Üretimi
Iowa Üniversitesi'ndeki (UI) NASA destekli bir ekip, ülkenin...
Dünya Dışındaki Yaşam Arayışını Mümkün Kılmak İçin Tek Foton Algılama Görüntü Sensörlerinde Gelişmeler
