Bezsoczewkowy czujnik obrazu z dynamiczną zmianą kierunku obserwacji

Badaczom z California Institute of Technology udało się zarejestrować obrazy bez użycia soczewek, wykorzystując sekwencyjne sterowanie wiązką po stronie odbiornika zawierającego optyczną antenę fazowaną (OPA) złożoną z 8 x 8 elementów odbiorczych. Mała optyczna antena fazowana stanowi prototyp wykorzystujący architekturę heterodyny i została wykonana na cienkim podłożu w technologii „krzem na izolatorze” (SOI) jako zintegrowany układ fotoniczny

Układ OPA formuje wiązkę po stronie odbiorczej, dzięki czemu może odbierać światło nadchodzące z różnych kierunków poprzez dokładne dobranie opóźnień sygnałów. Poszczególne czujniki anteny fazowanej są strojone z dokładnością do femtosekund. Dzięki temu fale świetlne odbierane przez każdy czujnik anteny ulegają interferencji destruktywnej na każdym kierunku – poza kątem, na który jest ustawiona antena. Dzięki temu możliwe jest elektryczne sterowanie kierunkiem, z którego jest odbierane światło.

To rozwiązanie pozwala na manipulację światłem bez soczewki oraz bez elementów ruchowych, pozwalając na tworzenie fotografii metodami cyfrowymi bez wykorzystania elementów optycznych. Stworzona w ten sposób antena fazowana może obserwować różne kierunki i selektywnie skupiać wiązkę na różnych obiektach.

„Utworzyliśmy pojedynczą, cienką warstwę zintegrowanych układów fotonicznych w krzemie, która emuluje soczewkę oraz czujnik cyfrowej kamery. To rozwiązanie pozwala na zmniejszenie grubości i ceny kamer. Układ może naśladować zwykłą soczewkę, ale też błyskawicznie zmienić swe zachowanie od „rybiego oka” do soczewek teleskopowych.” – tłumaczy Ali Hajimiri, profesor inżynierii elektrycznej i nauk medycznych z wydziału inżynierii i nauk stosowanych California Institute of Technology.

„Działanie kamery przypomina prowadzenie obserwacji przez cienką słomkę i skanowanie za jej pomocą całego pola widzenia. Możemy rejestrować obrazy z niezwykle duża szybkością, manipulując biegiem światła, zamiast przesuwać obiekt mechaniczny.” – tłumaczy absolwent Reza Fatemi, główny autor pracy zatytułowanej „An 8×8 Heterodyne Lens-less OPA Camera”. Praca została zaprezentowana podczas konferencji amerykańskiego stowarzyszenia optyków (OSA) o nazwie CLEO.

Struktura złożona z 64-elementów stanowi rozwinięcie koncepcji jednowymiarowej implementacji zaprojektowanej wcześniej na California Institute of Technology, która była w stanie rejestrować wyłączenie obrazy w postaci linii. Choć prototyp ma niską rozdzielczość, taką antenę fazowaną można przeskalować, aby uzyskać czujniki o dużej powierzchni. Naukowcy mają nadzieję, że dzięki temu wynalazkowi soczewki i duże kamery staną się przeżytkiem. Potencjalne zastosowania wynalazku obejmują cienkie smartfony oraz płaskie i lekkie teleskopy.