Traditionella kameror - även de som är tunnast av mobiltelefoner - kan inte vara riktigt platta på grund av deras optik:linser som kräver en viss form och storlek för att fungera. På Caltech, ingenjörer har utvecklat en ny kameradesign som ersätter linserna med en ultratunn optisk fasad array (OPA). OPA gör beräkningsmässigt vad linser gör med stora glasbitar:den manipulerar inkommande ljus för att fånga en bild.

Linser har en kurva som böjer vägen för inkommande ljus och fokuserar det på en film eller, när det gäller digitalkameror, en bildsensor. OPA har ett stort utbud av ljusmottagare, var och en kan individuellt lägga till en tätt kontrollerad tidsfördröjning (eller fasförskjutning) till ljuset som den tar emot, gör det möjligt för kameran att selektivt titta i olika riktningar och fokusera på olika saker.

"Här, som de flesta andra saker i livet, timing är allt. Med vårt nya system, du kan när som helst selektivt titta i önskad riktning och på en mycket liten del av bilden framför dig, genom att styra timingen med femto-sekund-kvadriljondel av en sekund-precision, "säger Ali Hajimiri, Bren professor i elektroteknik och medicinsk teknik vid avdelningen för teknik och tillämpad vetenskap vid Caltech, och huvudutredaren av ett papper som beskriver den nya kameran. Papperet presenterades på Optical Society of America's (OSA) Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) och publicerades online av OSA i OSA Technical Digest i mars 2017.

"Vi har skapat ett enda tunt lager av integrerad kiselfotonik som efterliknar objektivet och sensorn på en digitalkamera, minska tjockleken och kostnaden för digitalkameror. Det kan efterlikna ett vanligt objektiv, men kan växla från ett fisköga till ett teleobjektiv omedelbart-med bara en enkel justering av hur matrisen tar emot ljus, "Säger Hajimiri.

Fasade arrays, som används i trådlös kommunikation och radar, är samlingar av enskilda sändare, alla skickar ut samma signal som vågor. Dessa vågor stör varandra konstruktivt och destruktivt, förstärka signalen i en riktning medan den avbryts någon annanstans. Således, en array kan skapa en tätt fokuserad signalstråle, som kan styras i olika riktningar genom att förskjuta tidpunkten för överföringar som görs på olika punkter i gruppen.

En liknande princip används omvänt i en optisk fasad array -mottagare, som är grunden för den nya kameran. Ljusvågor som tas emot av varje element över matrisen avbryter varandra från alla håll, förutom en. I den riktningen, vågorna förstärker varandra för att skapa en fokuserad "blick" som kan styras elektroniskt.

"Vad kameran gör liknar att titta genom ett tunt sugrör och skanna det över synfältet. Vi kan bilda en bild med en otroligt snabb hastighet genom att manipulera ljuset istället för att flytta ett mekaniskt föremål, "säger doktoranden Reza Fatemi (MS '16), huvudförfattare till OSA -tidningen.

Förra året, Hajimiris team rullade ut en endimensionell version av kameran som kunde upptäcka bilder i en rad, sådan att den fungerade som en objektivfri streckkodsläsare men utan mekaniskt rörliga delar. Årets framsteg var att bygga den första tvådimensionella matrisen som kan skapa en hel bild. Denna första 2-D objektivlösa kamera har en uppsättning som består av bara 64 ljusmottagare i ett 8 x 8 rutnät. Den resulterande bilden har låg upplösning. Men detta system representerar ett bevis på konceptet för en grundläggande omprövning av kamerateknik, Säger Hajimiri och hans kollegor.

"Ansökningarna är oändliga, "säger doktoranden Behrooz Abiri (MS '12), medförfattare till OSA -papperet. "Även i dagens smartphones, kameran är komponenten som begränsar hur tunn din telefon kan bli. En gång skalat upp, denna teknik kan göra objektiv och tjocka kameror föråldrade. Det kan till och med få konsekvenser för astronomin genom att möjliggöra ultralätt, ultratunna enorma platta teleskop på marken eller i rymden. "

"Möjligheten att styra alla kameras optiska egenskaper elektroniskt med hjälp av ett papperstunt lager av billiga kiselfotonika utan någon mekanisk rörelse, linser, eller speglar, öppnar en ny värld av bildare som kan se ut som tapeter, persienner, eller till och med bärbart tyg, säger Hajimiri. Därefter teamet kommer att arbeta med att skala upp kameran genom att designa chips som möjliggör mycket större mottagare med högre upplösning och känslighet.

Studien har titeln "En 8X8 Heterodyne objektivlös OPA-kamera."