Từ nghiên cứu để khám phá không gian, cảm biến ảnh CMOS thành linh kiện phổ biến trong điện thoại và là câu chuyện thương mại hóa sáng chế thành công nhất của NASA.

Tại phòng thí nghiệm Microdevices (MDL), phòng thí nghiệm vi thiết bị của NASA ở California (Mỹ), bức ảnh nhà khoa học Eric Fossum cầm một chiếc điện thoại thông minh được đặt ở phòng chính. Ông góp công lớn trong việc phát triển cảm biến CMOS điểm chủ động. Từ bài toán thu nhỏ camera cho tàu vũ trụ, công nghệ này tăng dần trở thành linh kiện phổ biến trên hàng tỷ thiết bị, góp phần thay đổi ngành công nghiệp hình ảnh số.

Câu chuyện bắt đầu vào thập niên 1990, khi NASA theo đuổi định hướng "nhanh hơn, tốt hơn, rẻ hơn" nhắm giảm chi phí và rút ngắn thời gian phát triển sứ mệnh không gian. Fossum, khi đó là kỹ sư tại JPL, được giao tìm cách thu nhỏ hệ thống máy ảnh sử dụng trên tàu vũ trụ mà vẫn đảm bảo chất lượng hình ảnh. Với những thiết bị hoạt động ở Trái đất triệu km, máy ảnh không chỉ cần thu gọn mà còn phải tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt, nơi sửa chữa gần như không thể thực hiện sau khi phóng to.

Khi anh ấy, cảm biến CCD là sự lựa chọn phổ biến trong hệ thống ghi chất lượng cao. Tuy nhiên, kiến ​​trúc này cần có cơ chế chuyển mạch và đọc tín hiệu riêng, tạo công việc thu nhỏ hệ thống máy ảnh và giảm năng lượng tiêu thụ khó khăn.

Là chuyên gia CCD, nhưng Fossum cũng nhận thấy công nghệ Bán dẫn kim loại bù (CMOS) vốn được sử dụng rộng rãi trong chế độ tạo vi bán dẫn, có thể mở ra các hướng đi khác. Ý tưởng sử dụng CMOS để ghi hình ảnh đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng các thế hệ cảm biến ban đầu gặp vấn đề nhiễu tín hiệu, tạo ra chất lượng ảnh chưa đáp ứng yêu cầu.

Ông cùng nhóm nghiên cứu phát triển CMOS điểm ảnh chủ động (Cảm biến pixel hoạt động CMOS). Kiến trúc này tích hợp các bóng bán dẫn tín hiệu ngay trong từng điểm ảnh, đồng thời cho phép đưa ra nhiều chức năng xử lý và điều khiển camera lên cùng một con chip. Nhóm cũng áp dụng kỹ thuật lấy mẫu tương quan kép để giảm nhiễu, cải thiện chất lượng hình ảnh.

Vì vậy, với hệ thống truyền CCD kiến ​​trúc, cảm biến CMOS chủ động có thế về khả năng phân tích hợp lý và tiêu thụ năng lượng, tạo điều kiện chế tạo hệ thống máy ảnh nhỏ gọn hơn. Việc sử dụng các quy trình bán dẫn sản phẩm tương tự khác cũng giúp công nghệ có tiềm năng sản xuất với chi phí thấp hơn khi mở rộng quy mô.

Đây là nền tảng của thiết kế hướng dẫn "máy ảnh trên một con chip", tức là tích hợp nhiều thành phần của hình ảnh hệ thống trên một bán dẫn chip. Công nghệ ban đầu phục vụ nhu cầu của NASA, sau đó trở thành thành công phát minh phổ biến nhất có nguồn gốc từ cơ quan này.

Hành trình vượt qua "thung lũng chết" của chế độ sáng

Trong khoa học công nghệ, "thung dead dead" chỉ giai đoạn đưa ra một nghiên cứu từ phòng thí nghiệm ra thị trường, khi phát hiện nguồn năng lượng vẫn có thể thất bại vì thiếu vốn, khách hàng hoặc doanh nghiệp sẵn sàng đầu tư. Cảm biến hình ảnh CMOS cũng phải vượt qua những rào cản như vậy.

Đến năm 1993, Fossum đã nhận ra công nghệ có thể tạo ra bước tiến đáng kể cho cả các sứ mệnh không gian lẫn điện tử tiêu dùng. Tuy nhiên, khi giới thiệu kết quả nghiên cứu, họ gặp sự nghi ngờ từ ngành công nghiệp hình ảnh số. Thất bại trước đó của công nghệ hình ảnh CMOS khiến nhiều người nghi ngờ về khả năng cạnh tranh với CCD, vốn đã có vị trí vững chắc trên thị trường.

"Ngay cả nhiều người của tôi cũng có thái độ cực cực về nó", Fossum nhớ lại khi kể về trang NASA Spin-off. Để phục vụ doanh nghiệp, nhóm nghiên cứu không chỉ cần cải thiện chất lượng ảnh mà còn cần chứng minh cảm biến có thể hoạt động ổn định trong các công cụ ứng dụng.

Một đối tác sớm tìm thấy cơ hội là Schick Technologies, doanh nghiệp phát triển thiết bị chụp X-quang nha khoa. Năm 1994, nhà sáng lập David Schick liên hệ với Fossum để tìm cách ứng dụng cảm biến CMOS vào thiết bị nha khoa, dù công nghệ vẫn còn nhiều hạn chế.

Thế nhưng, công nghệ chỉ thực sự hưng phấn sau khi dự án trở thành một công ty spin-off (khởi nguồn từ tổ chức nghiên cứu khoa học và công nghệ). Năm 1995, Fossum trở thành nhà khoa học đầu tiên của JPL được phép sử dụng phát minh của chính mình từ Viện Công nghệ California (Caltech), cơ quan quản lý nhóm nghiên cứu. Họ thành lập Photobit, công ty sau đó tiếp tục hoàn thiện cảm biến, đồng thời đưa công nghệ vào các sản phẩm phục vụ nhiều nhu cầu khác nhau, từ webcam, hệ thống thị giác máy đến thiết bị chụp X-quang nha khoa, dạng máy ảnh dùng trong nội soi và ứng dụng.

Theo NASA, đến tháng 6/2000, Photobit đã giao tiếp một triệu cảm biến. Năm 2001, công ty được Micron Technology mua lại, giúp công nghệ có thêm nguồn lực phát triển và năng lực sản xuất bán dẫn.

Điện thoại di động sau đó trở thành thị trường trưởng thành lớn cho cảm biến CMOS. Khả năng tích hợp cao, kích thước nhỏ và tiêu thụ điện thấp phù hợp với yêu cầu của máy ảnh trên điện thoại ngày càng nhẹ nhàng. Theo NASA, đến năm 2013, số lượng cảm biến CMOS được sản xuất mỗi năm đã vượt quá tỷ lệ và hiện số ở khoảng 7 tỷ lệ. Công nghệ từ đó trở thành nền tảng cho phần lớn kỹ thuật số máy ảnh, từ điện thoại, máy tính đến các hệ thống ghi hình trong y tế và ví.

Hành trình này cũng được ghi nhận thành công nhờ sự phối hợp giữa nhà nước, viện nghiên cứu và doanh nghiệp trong quá trình đổi mới sáng tạo. NASA đặt ra bài toán và tài trợ cho nghiên cứu có rủi ro về kỹ thuật cao; JPL và Caltech phát triển công nghệ, tổ chức chuyển giao; còn doanh nghiệp tìm ứng dụng, hoàn thiện sản phẩm và mở rộng sản xuất. Cách phối hợp này có những điểm tương đồng với mô hình "Bộ ba xoắn ốc" (Triple Helix) trong sự đổi mới sáng tạo hiện nay.

Với Caltech, lợi ích từ thành công của CMOS không chỉ nằm ở nguồn thu cấp phép để tái sinh cho nghiên cứu và giáo dục. Fred Farina, Giám đốc phụ trách đổi mới sáng tạo của viện, cho rằng những câu chuyện thương mại hóa thành công còn tạo động lực cho các nhà nghiên cứu khác tại Caltech và JPL, đồng thời cống hiến phần thúc đẩy văn hóa khởi nghiệp.

Tại Phòng thí nghiệm Microdevices, quá trình nghiên cứu ứng dụng vẫn tiếp tục diễn ra với những công nghệ mới. Trong chuyến thăm dành cho báo chí quốc tế vào tháng 9, phòng thí nghiệm này đã biết đã phát triển thành công một sản phẩm khác là HOT-BIRD, một loại cảm biến hồng ngoại sử dụng vật liệu bán dẫn đặc biệt để phát hiện bức xạ nhiệt. Đây sẽ là thành phần quan trọng trong hệ thống theo dõi và ứng phó với cháy rừng ở tương lai.

Với Caltech, lợi ích từ thành công của CMOS không chỉ nằm ở nguồn thu cấp phép để tái sinh cho nghiên cứu và giáo dục. "Điều này giúp thúc đẩy các nhà nghiên cứu khác. Và đối với toàn bộ bộ văn hóa khởi nghiệp, những câu chuyện thành công thực sự rất ý nghĩa", Fred Farina, Giám đốc phụ trách đổi mới sáng tạo của Viện Caltech, nói.

Fossum đã được vinh danh tại Đại sảnh Danh vọng Nhà phát minh Quốc gia Mỹ năm 2011. Bản thân ông cũng thừa nhận bất ngờ vì tiến trình sáng chế này. “Tôi thấy thật đáng kinh ngạc khi nó lại có sức sống riêng đến vậy”, ông chia sẻ.

Lưu Quý