Le fotocamere tradizionali, anche quelle dei cellulari più sottili, non possono essere veramente piatte a causa delle loro ottiche:obiettivi che richiedono una certa forma e dimensione per funzionare. Al Caltech, gli ingegneri hanno sviluppato un nuovo design della fotocamera che sostituisce gli obiettivi con un phased array ottico (OPA) ultrasottile. L'OPA fa computazionalmente ciò che fanno le lenti usando grandi pezzi di vetro:manipola la luce in entrata per catturare un'immagine.

Le lenti hanno una curva che piega il percorso della luce in entrata e la focalizza su un pezzo di pellicola o, nel caso delle fotocamere digitali, un sensore di immagine. L'OPA ha una vasta gamma di ricevitori di luce, ognuno dei quali può aggiungere individualmente un ritardo temporale (o sfasamento) strettamente controllato alla luce che riceve, consentendo alla fotocamera di guardare selettivamente in direzioni diverse e mettere a fuoco cose diverse.

"Qui, come la maggior parte delle altre cose nella vita, il tempismo è tutto. Con il nostro nuovo sistema, puoi guardare selettivamente nella direzione desiderata e una parte molto piccola dell'immagine di fronte a te in un dato momento, controllando il tempo con precisione al femto-secondo, quadrilionesimo di secondo, "dice Ali Hajimiri, Bren Professore di Ingegneria Elettrica e Ingegneria Medica nella Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate al Caltech, e l'investigatore principale di un articolo che descrive la nuova fotocamera. Il documento è stato presentato alla conferenza della Optical Society of America (OSA) sui laser e l'elettro-ottica (CLEO) e pubblicato online dall'OSA nell'OSA Technical Digest nel marzo 2017.

"Abbiamo creato un singolo strato sottile di fotonica di silicio integrata che emula l'obiettivo e il sensore di una fotocamera digitale, riducendo lo spessore e il costo delle fotocamere digitali. Può imitare una lente normale, ma può passare istantaneamente da un fish-eye a un teleobiettivo, con una semplice regolazione nel modo in cui l'array riceve la luce, "dice Hajimir.

array a fasi, utilizzati nelle comunicazioni wireless e nei radar, sono raccolte di singoli trasmettitori, inviano tutti lo stesso segnale delle onde. Queste onde interferiscono tra loro in modo costruttivo e distruttivo, amplificando il segnale in una direzione annullandolo altrove. Così, un array può creare un fascio di segnale strettamente focalizzato, che può essere guidato in diverse direzioni scaglionando i tempi delle trasmissioni effettuate in vari punti dell'array.

Un principio simile viene utilizzato al contrario in un ricevitore phased array ottico, che è la base per la nuova fotocamera. Le onde luminose ricevute da ciascun elemento attraverso l'array si annullano a vicenda da tutte le direzioni, tranne uno. In quella direzione, le onde si amplificano a vicenda per creare uno "sguardo" focalizzato che può essere controllato elettronicamente.

"Ciò che fa la fotocamera è simile a guardare attraverso una cannuccia sottile e scansionarla attraverso il campo visivo. Possiamo formare un'immagine a una velocità incredibilmente elevata manipolando la luce invece di spostare un oggetto meccanico, " dice il dottorando Reza Fatemi (MS '16), autore principale del documento OSA.

L'anno scorso, Il team di Hajimiri ha lanciato una versione unidimensionale della fotocamera in grado di rilevare immagini in linea, tale da agire come un lettore di codici a barre senza lenti ma senza parti meccaniche in movimento. L'anticipo di quest'anno è stato quello di costruire il primo array bidimensionale in grado di creare un'immagine completa. Questa prima fotocamera 2-D senza obiettivo ha un array composto da soli 64 ricevitori di luce in una griglia 8 per 8. L'immagine risultante ha una bassa risoluzione. Ma questo sistema rappresenta un proof of concept per un fondamentale ripensamento della tecnologia fotografica, Dicono Hajimiri e i suoi colleghi.

"Le applicazioni sono infinite, " dice lo studente laureato Behrooz Abiri (MS '12), coautore del documento OSA. "Anche negli smartphone di oggi, la fotocamera è il componente che limita lo spessore del telefono. Una volta ingrandito, questa tecnologia può rendere obsoleti gli obiettivi e le fotocamere spesse. Potrebbe anche avere implicazioni per l'astronomia abilitando l'ultraleggero, enormi telescopi piatti ultrasottili a terra o nello spazio."

"La capacità di controllare elettronicamente tutte le proprietà ottiche di una fotocamera utilizzando uno strato sottilissimo di fotonica di silicio a basso costo senza alcun movimento meccanico, lenti a contatto, o specchi, apre un nuovo mondo di imager che potrebbero sembrare sfondi, persiane, o anche tessuto indossabile, " dice Hajimiri. Poi, il team lavorerà per ampliare la fotocamera progettando chip che consentano ricevitori molto più grandi con risoluzione e sensibilità più elevate.

Lo studio è intitolato "Una fotocamera OPA 8X8 Heterodyne Lens-less".