Ultratyndt kamera skaber billeder uden objektiver

Traditionelle kameraer - selv de tyndeste mobiltelefoner - kan ikke være flade på grund af deres optik:objektiver, der kræver en bestemt form og størrelse for at fungere. Hos Caltech, ingeniører har udviklet et nyt kameradesign, der erstatter linserne med et ultratyndt optisk faset array (OPA). OPA gør beregningsmæssigt hvad linser gør ved hjælp af store glasstykker:den manipulerer indgående lys for at fange et billede.

Linser har en kurve, der bøjer vejen for indgående lys og fokuserer det på et stykke film eller, for digitale kameraer, en billedsensor. OPA har et stort udvalg af lysmodtagere, som hver enkelt kan tilføje en tæt kontrolleret tidsforsinkelse (eller faseskift) til det lys, den modtager, gør det muligt for kameraet selektivt at se i forskellige retninger og fokusere på forskellige ting.

"Her, som de fleste andre ting i livet, timing er alt. Med vores nye system, du kan til enhver tid selektivt kigge i en ønsket retning og på en meget lille del af billedet foran dig, ved at styre timingen med femto-sekund-kvadrilliondel af et sekund-præcision, "siger Ali Hajimiri, Bren professor i elektroteknik og medicinsk teknik i afdelingen for teknik og anvendt videnskab ved Caltech, og hovedforsker af et papir, der beskriver det nye kamera. Papiret blev præsenteret på Optical Society of America's (OSA) Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) og offentliggjort online af OSA i OSA Technical Digest i marts 2017.

"Vi har skabt et enkelt tyndt lag integreret siliciumfotonik, der efterligner objektivet og sensoren på et digitalkamera, reducere tykkelsen og omkostningerne ved digitale kameraer. Det kan efterligne en almindelig linse, men kan skifte fra et fiskeøje til et teleobjektiv øjeblikkeligt-med blot en simpel justering af måden, arrayet modtager lys på, "Siger Hajimiri.

Faserede arrays, som bruges i trådløs kommunikation og radar, er samlinger af individuelle sendere, alle sender det samme signal ud som bølger. Disse bølger forstyrrer hinanden konstruktivt og destruktivt, forstærker signalet i en retning, mens det annulleres andre steder. Dermed, en matrix kan skabe en tæt fokuseret signalstråle, som kan styres i forskellige retninger ved at forskyde timingen af ​​transmissioner foretaget på forskellige punkter i arrayet.

Et lignende princip bruges omvendt i en optisk faset array -modtager, som er grundlaget for det nye kamera. Lysbølger, der modtages af hvert element på tværs af arrayet, annullerer hinanden fra alle retninger, bortset fra en. I den retning, bølgerne forstærker hinanden for at skabe et fokuseret "blik", der kan styres elektronisk.

"Det, kameraet gør, ligner det at se gennem et tyndt sugerør og scanne det hen over synsfeltet. Vi kan danne et billede med en utrolig hurtig hastighed ved at manipulere lyset i stedet for at flytte et mekanisk objekt, "siger kandidatstuderende Reza Fatemi (MS '16), hovedforfatter af OSA -papiret.

Sidste år, Hajimiris team udrullede en endimensionel version af kameraet, der var i stand til at registrere billeder i en linje, sådan, at den virkede som en linseløs stregkodelæser, men uden mekanisk bevægelige dele. Årets fremskridt var at bygge det første todimensionale array, der kunne skabe et fuldt billede. Dette første 2-D-objektivfrie kamera har et array, der består af kun 64 lysmodtagere i et 8 x 8-gitter. Det resulterende billede har lav opløsning. Men dette system repræsenterer et bevis på konceptet for en grundlæggende nytænkning af kamerateknologi, Siger Hajimiri og hans kolleger.

"Ansøgningerne er uendelige, "siger kandidatstuderende Behrooz Abiri (MS '12), medforfatter af OSA -papiret. "Selv i dagens smartphones, kameraet er den komponent, der begrænser, hvor tynd din telefon kan blive. Når først skaleret op, denne teknologi kan gøre objektiver og tykke kameraer forældede. Det kan endda have konsekvenser for astronomi ved at muliggøre ultralet, ultratynde enorme flade teleskoper på jorden eller i rummet. "

"Evnen til at styre alle kameraets optiske egenskaber elektronisk ved hjælp af et papirtyndt lag billige siliciumfotonik uden mekanisk bevægelse, linser, eller spejle, åbner en ny verden af ​​forestillere, der kan ligne tapet, persienner, eller endda bærbart stof, "siger Hajimiri. Dernæst, teamet vil arbejde på at skalere kameraet ved at designe chips, der muliggør meget større modtagere med højere opløsning og følsomhed.

Undersøgelsen har titlen "Et 8X8 Heterodyne objektivfrit OPA-kamera."