Kamery mobilních telefonů jsou založené na technologii vyvinuté v rámci kosmického výzkumu. Bez ní by vám nestačila baterie a možná ani kapsa.
Lidé mi říkali, že jsem idiot, když na tom dělám, vzpomínal Eric Fossum na své první experimenty s tehdy alternativní formou digitálního obrazového snímače v Laboratoři tryskového pohonu NASA (tzv. JPL).
Neměli pravdu. Jeho práce na čipech pro digitální fotoaparáty je komerčně vůbec nejúspěšnější technologií vesmírné agentury NASA. Ovládla totiž odvětví digitálního zpracování obrazu a umožnila vznik dnešních fotoaparátů pro mobilní telefony.
Příliš mnoho šumu
Fossum pracoval na problematice lepších zařízení pro pořizování digitálních snímků, a konkrétně samotných snímačů obrazu. Konkrétně v JPL pracoval na kategorii známé jako CMOS snímače (jde o zkratku anglického výrazu „Complementary Metal–Oxide–Semiconductor“).
CMOS není označení pro samotné fotoaparáty nebo čipy v jejich nitru, ale metoda pro výrobu polovodičových obvodů na bázi oxidů kovů. Využít ji k výrobě digitálních fotoaparátů se odborníci pokoušeli již od 60. let 20. století, ale nikomu se nepodařilo s technologií prosadit na trhu. Zařízení trpěly mimo jiné velikým šumem, takže nedokázaly pořídit kvalitní obraz.
Místo toho se koncem 80. let 20. století prosadila jiná zobrazovací technologie využívající snímače na bázi CCD. Ty umožnily vytvářet naopak vysoce kvalitní digitální fotografie. Prvky CCD našly uplatnění nejprve ve specializovaných odvětvích: třeba ve skenerech či špionážních a astronomických teleskopech (špionáž měla náskok, protože vojáci mají mnohem více peněz než astronomové).
Na druhou stranu ovšem CCD snímače vyžadují mimo jiného vysokou účinnost přenosu náboje v rámci snímače a relativně vysokou spotřebu energie. Nám laikům postačí hlavně vědět, je bylo těžké vytvořit malé CCD snímače, které by dokázaly pořizovat videozáznam a měly přitom dobrou kvalitu obranu.
Eric Fossum o tom věděl své, protože byl odborníkem právě na technologii CCD. Díky tomu také získal v roce 1990 místo v Jet Propulsion Laboratory NASA; jeho úkolem bylo přitom od začátku vytvořit lehčí digitální snímače s využitím metody CMOS.
Povedlo se, jeho tým dokázal technologii vylepšit a přijít na způsob, jak snížit šum signálu, který trápil dřívější snímače. Použil přitom techniku, která se už předtím používala u CCD snímačů. Zjednodušeně řečeno měřil napětí pixelu před expozicí i po ní a díky tomu se dokázal zbavit drobných chyb, které v zařízení vznikaly. „Je to, jako když jdete v jídelně na začátku k váze, aby vám zvážili talíř, a pak znovu s nandaným jídlem,“ přiblížil sám Fossum metodu. Dvojí měření dokázalo korigovat šum a výsledkem byl jasnější obraz.
Pixely v CMOS zařízení také fungují jako zesilovače signálu, takže změřený signál se tak snadno „neztrácí“ jako v CCD zařízeních. CMOS senzory mají každou fotodiodu doplněnou o vlastní tranzistor, což umožňuje snímat a zpracovávat signály na jednom čipu. Naopak CCD senzory mají samostatné zesilovače pro každou fotodiodu, proto je potřeba využít samostatné čipy pro snímání a zpracování signálů.
V praxi to znamenalo, že nová generace snímačů mohla být kompaktnější, robustnější a levnější.
Do praxe
V roce 1993 už si Fossum a jeho tým byli jistí, že mají v rukou objev, který by mohl mít velký význam jak pro NASA, tak pro spotřební elektroniku. Ovšem když o svých poznatcích začali přednášet a publikovat, narazili zprvu na nečekaně tuhý odpor jak v průmyslu, tak u některých i kolegů.
Fossum tento skepticismus přičítá dřívějším neúspěchům při vývoji kamer na technologii CMOS, tak jednoduše i snaze chránit si vlastní živobytí: „Dokonce i mnoho mých přátel se k tomu stavělo odmítavě. Technologie se je z jejich pohledu snažila připravit o živobytí.“
Obor ovšem nedokázal odolávat dlouho. Navzdory počátečním pochybnostem o potenciálu CMOS podepsalo několik společností s laboratořemi NASA dohody o technologické spolupráci a navázalo s Fossumem a jeho kolegy partnerství při vývoji této technologie.
V roce 1995 Fossum s několika spolupracovníky (včetně své manželky a kolegyně Sabrinou Kemenyovou) založili společnost Photobit, která vyvíjela vlastní senzory. Následující rok opustil JPL a stal se na plný úvazek technologickým ředitelem. Kromě navrhování vlastních snímačů poskytoval Photobit licence na technologie společnostem jako Kodak a Intel, i když většina těchto prvních licencí nevedla k vytvoření žádných produktů (tak tomu u patentů ovšem často bývá).
Jak přibývalo výsledků a na světlo vycházely další podrobnosti o technologii, svět začal CMOS brát opravdu vážně. Do Photobitu investovalo několik firem. Digitální snímek CMOS ještě nebyly tak kvalitní jako CCD snímače, ale potenciál k dalšímu zlepšování byl zřejmý. A zároveň přitom bylo jasné, že výroba bude levná a spotřeba energie nižší.
Že jste přesto o Photobit nikdy neslyšeli? Není divu. Přestože Photobit vlastnil exkluzivní licenci na technologii vyvinutou v JPL a podal více než 100 vlastních patentů, vedení společnosti se obávalo, že jejich obrana bude obtížná. Do vývoje se pustilo několik elektronických gigantů a ve Photobitu se obávali, že tyto společnosti nakonec dokážou jejich patenty nějak obejít. V roce 2001 tak zakladatelé svou firmu prodali. Patenty si licencovaly společnosti jako Sony nebo Samsung nebo třeba svého času tak známá GoPro.
Rychlý růst
Snímače společnosti si ještě před rokem 2001 našly cestu do některých spotřebních výrobků, například společností Logitech nebo Intel. Ještě před rokem 2001 se také na trhu objevila první mikrokamera, které lékaři mohli využít k vyšetření pacientova těla zevnitř. Dnes má jen tento obor po celém světě miliardový obrat.
Ovšem zdaleka nejdůležitější je využití technologie v mobilních telefonech. Mobily se pro CMOS snímače staly „killer app“, tedy „zabijákem“, který naprosto vytlačil z oboru konkurenci. Hlavní výhodou jsou přitom nízká spotřeba a malé rozměry. Baterie telefonů nejsou nikdy dost velké a také v nich nikdy mnoho volného místa. S CCD kamerou by nebylo možné natáčet tak dobré video po tak dlouhou dobu, jako to dokážou dnešní telefony.
S tím, jak se snímačů CMOS vyrábělo stále více a více, jejich cena stále padala. Tím přibývalo zkušeností a do vývoje se stále více investovalo (Fossum navazoval na řadu odborníků a řadu dalších inspiroval) a schopnosti těchto zařízení se nadále zvyšovaly. Technologie CCD tak přestala být schopná konkurovat i v řadě aplikací, kde velikost a spotřeba nebyly prioritami. Nyní, kromě několika málo specializovaných trhů, využívají výsledky práce Fossumova týmu prakticky všechny digitální fotoaparáty a videokamery.
Už v roce 2013 se vyrobila více než miliarda obrazových snímačů CMOS a v roce 2015 dosáhl trh s touto technologií, která zahrnuje také aplikace v automobilovém a lékařském průmyslu, nebo při sledování Země, téměř 10 miliard dolarů. V roce 2023 už to bylo necelých 22 miliard dolarů.