Traditionele camera's - zelfs die op de dunste mobiele telefoons - kunnen niet echt plat zijn vanwege hun optica:lenzen die een bepaalde vorm en grootte nodig hebben om te kunnen functioneren. Bij Caltech, ingenieurs hebben een nieuw camera-ontwerp ontwikkeld dat de lenzen vervangt door een ultradunne optische phased array (OPA). De OPA doet computationeel wat lenzen doen met grote stukken glas:het manipuleert binnenkomend licht om een ​​beeld vast te leggen.

Lenzen hebben een kromming die het pad van binnenkomend licht buigt en focust op een stuk film of, in het geval van digitale camera's, een beeldsensor. De OPA heeft een groot aantal lichtontvangers, die elk afzonderlijk een strak gecontroleerde tijdvertraging (of faseverschuiving) kunnen toevoegen aan het ontvangen licht, waardoor de camera selectief in verschillende richtingen kan kijken en zich op verschillende dingen kan concentreren.

"Hier, zoals de meeste andere dingen in het leven, tijd is alles. Met ons nieuwe systeem, je kunt op elk willekeurig moment selectief in de gewenste richting en naar een heel klein deel van het beeld voor je kijken, door de timing te regelen met femto-seconde - een quadriljoenste van een seconde - precisie, " zegt Ali Hajimiri, Bren Hoogleraar Elektrotechniek en Medische Technologie bij de Afdeling Engineering en Toegepaste Wetenschappen van Caltech, en de hoofdonderzoeker van een paper waarin de nieuwe camera wordt beschreven. De paper werd gepresenteerd op de Optical Society of America's (OSA) Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) en online gepubliceerd door de OSA in de OSA Technical Digest in maart 2017.

"We hebben een enkele dunne laag geïntegreerde siliciumfotonica gecreëerd die de lens en sensor van een digitale camera emuleert, het verminderen van de dikte en kosten van digitale camera's. Het kan een gewone lens nabootsen, maar kan onmiddellijk overschakelen van een fish-eye- naar een telelens - met slechts een simpele aanpassing in de manier waarop de array licht ontvangt, ' zegt Hajimiri.

Gefaseerde arrays, die worden gebruikt in draadloze communicatie en radar, zijn verzamelingen van individuele zenders, ze zenden allemaal hetzelfde signaal uit als golven. Deze golven interfereren constructief en destructief met elkaar, het signaal in de ene richting versterken en het elders opheffen. Dus, een array kan een strak gefocuste signaalstraal creëren, die in verschillende richtingen kan worden gestuurd door de timing van uitzendingen op verschillende punten in de array te spreiden.

Een soortgelijk principe wordt omgekeerd gebruikt in een optische phased array-ontvanger, dat is de basis voor de nieuwe camera. Lichtgolven die door elk element over de array worden ontvangen, heffen elkaar op vanuit alle richtingen, behalve één. In die richting, de golven versterken elkaar om een ​​gerichte "blik" te creëren die elektronisch kan worden bestuurd.

"Wat de camera doet, is vergelijkbaar met kijken door een dun rietje en het over het gezichtsveld scannen. We kunnen een beeld vormen met een ongelooflijk hoge snelheid door het licht te manipuleren in plaats van een mechanisch object te verplaatsen, " zegt promovendus Reza Fatemi (MS '16), hoofdauteur van de OSA-paper.

Vorig jaar, Hajimiri's team rolde een eendimensionale versie van de camera uit die in staat was om beelden in een lijn te detecteren, zodanig dat het werkte als een lensloze barcodelezer, maar zonder mechanisch bewegende delen. De vooruitgang van dit jaar was het bouwen van de eerste tweedimensionale array die een volledig beeld kon creëren. Deze eerste 2D-lensloze camera heeft een array die bestaat uit slechts 64 lichtontvangers in een raster van 8 bij 8. Het resulterende beeld heeft een lage resolutie. Maar dit systeem vertegenwoordigt een proof of concept voor een fundamentele heroverweging van cameratechnologie, Hajimiri en zijn collega's zeggen.

"De toepassingen zijn eindeloos, " zegt promovendus Behrooz Abiri (MS '12), co-auteur van de OSA-paper. "Zelfs in de smartphones van vandaag, de camera is het onderdeel dat beperkt hoe dun je telefoon kan worden. Eenmaal opgeschaald, deze technologie kan lenzen en dikke camera's overbodig maken. Het kan zelfs implicaties hebben voor de astronomie door ultralicht, ultradunne enorme platte telescopen op de grond of in de ruimte."

"Het vermogen om alle optische eigenschappen van een camera elektronisch te regelen met behulp van een flinterdunne laag goedkope siliciumfotonica zonder enige mechanische beweging, lenzen, of spiegels, opent een nieuwe wereld van imagers die eruit kunnen zien als behang, jaloezieën, of zelfs draagbare stof, " zegt Hajimiri. Vervolgens, het team zal werken aan het opschalen van de camera door chips te ontwerpen die veel grotere ontvangers met een hogere resolutie en gevoeligheid mogelijk maken.

De studie is getiteld "An 8X8 Heterodyne Lens-less OPA Camera."