Ny chip klar til at muliggøre håndholdt mikrobølgebilleddannelse

Forskere har udviklet en ny mikrobølge-imager-chip, der en dag kunne muliggøre billige håndholdte mikrobølge-imagers, eller kameraer. Fordi mikrobølger kan bevæge sig gennem visse uigennemsigtige genstande, de nye billedapparater kan være nyttige til billeddannelse gennem vægge eller påvisning af tumorer gennem væv i kroppen.

I Optica , The Optical Society's (OSA) tidsskrift for forskning med stor effekt, forskerne beskriver, hvordan de brugte en standard halvlederfremstillingsproces til at lave en mikrobølge-imager-chip indeholdende mere end 1, 000 fotoniske komponenter. Den firkantede chip måler lidt over 2 millimeter på hver side, gør det omkring halvdelen af ​​bredden af ​​et blyantsviskelæder.

"Dagens praktiske mikrobølge-imagers er bænksystemer, der er omfangsrige og dyre, " sagde forskerholdsleder Firooz Aflatouni fra University of Pennsylvania, USA. "Vores nye near-field imager bruger optisk, snarere end elektronisk, enheder til at behandle mikrobølgesignalet. Dette gjorde det muligt for os at lave en chip-baseret imager, der ligner de optiske kamerachips i mange smartphones."

Håndholdte nærfeltsmikrobølgekameraer ville være nyttige til mange applikationer, herunder hjernebilleddannelse i høj opløsning og overvågning af hjertebevægelser og vejrtrækning. Miniaturisering af mikrobølgekameraer vil også gavne applikationer såsom sporing af objekter i radarsystemer og laveffekt, højhastighedskommunikationsforbindelser.

Optisk behandling bruges til at skabe mikrobølgebilleder

Optiske kameraer som dem i smartphones bruger en linse til at danne et billede på kameraets billedsensor. Det nye nærfeltskamera bruger fire antenner til at modtage mikrobølgesignaler, der reflekteres fra et objekt. Disse mikrobølgesignaler kodes derefter til et optisk signal og behandles optisk - efterligner en mikrobølgelinse - for at danne et billede.

Den chip-baserede imager inkluderer mere end 1, 000 fotoniske komponenter såsom bølgeledere, retningskoblinger, fotodioder og ringmodulatorer. En af de væsentlige komponenter er det optiske forsinkelseselementnetværk, der bruges til signalbehandling, som består af mere end 280 forsinkelsesceller.

"Dette system er betydeligt mindre og mere effektivt end dets elektroniske ækvivalent, fordi forsinkelsescellerne er mere end 10 gange mindre og mere end 10 gange mere effektive, " sagde Farshid Ashtiani, en kandidatstuderende i Aflatounis gruppe og medforfatter på papiret. "De kan også fungere med væsentligt kortere mikrobølgeimpulser, som giver højere billedopløsning."

Demonstration af mikrobølgekameraet

For at demonstrere den nye chip, forskerne brugte det til at afbilde objekter med metaloverflader, inklusive metalliske firkanter, der måler 24 centimeter på hver side og UPenn-logoet. Efter korte mikrobølgeimpulser oplyste hver genstand placeret foran billedkameraet, de fire antenner modtog de reflekterede signaler, som blev brugt til at danne billedet af hvert målobjekt.

"Vores arbejde viser, at standard halvlederfremstillingsteknikker kan bruges til at skabe robuste fotoniske systemer, der indeholder mange enheder, " sagde Aflatouni. "Den lille imager-chip, vi demonstrerede, kan skaleres op, muliggør realisering af billige håndholdte højopløsningsmikrobølgekameraer."

Nu hvor de har demonstreret en chip-baseret mikrobølge-imager, forskerne planlægger at øge antallet af pixels ved at øge antallet af on-chip forsinkelseslinjer, ved hjælp af mere avancerede fremstillingsteknologier og sammensætning af mindre billeder. De ønsker også at bruge kortere mikrobølgeimpulser for at opnå højere opløsning.