As câmeras tradicionais - mesmo aquelas no mais fino dos telefones celulares - não podem ser verdadeiramente planas devido à sua ótica:lentes que requerem um determinado formato e tamanho para funcionar. Na Caltech, os engenheiros desenvolveram um novo design de câmera que substitui as lentes por uma matriz óptica de fase (OPA) ultrafina. O OPA faz computacionalmente o que as lentes fazem usando grandes pedaços de vidro:ele manipula a luz que entra para capturar uma imagem.

As lentes têm uma curva que curva o caminho da luz que entra e a focaliza em um pedaço de filme ou, no caso de câmeras digitais, um sensor de imagem. O OPA tem uma grande variedade de receptores de luz, cada um dos quais pode adicionar individualmente um atraso de tempo rigidamente controlado (ou mudança de fase) à luz que recebe, permitindo que a câmera olhe seletivamente em diferentes direções e foque em coisas diferentes.

"Aqui, como a maioria das outras coisas na vida, tempo é tudo. Com nosso novo sistema, você pode olhar seletivamente na direção desejada e em uma parte muito pequena da imagem à sua frente a qualquer momento, controlando o tempo com femto-segundo - quatrilionésimo de segundo - precisão, "diz Ali Hajimiri, Bren Professor de Engenharia Elétrica e Engenharia Médica na Divisão de Engenharia e Ciências Aplicadas da Caltech, e o investigador principal de um artigo que descreve a nova câmera. O artigo foi apresentado na Conferência da Optical Society of America (OSA) sobre Lasers e Eletro-Óptica (CLEO) e publicado online pela OSA no OSA Technical Digest em março de 2017.

"Criamos uma única camada fina de fotônica de silício integrada que emula a lente e o sensor de uma câmera digital, reduzindo a espessura e o custo das câmeras digitais. Pode imitar uma lente normal, mas pode mudar de uma lente olho de peixe para uma teleobjetiva instantaneamente - com apenas um ajuste simples na forma como a matriz recebe a luz, "Hajimiri diz.

Matrizes em fases, que são usados ​​em comunicação sem fio e radar, são coleções de transmissores individuais, todos enviando o mesmo sinal das ondas. Essas ondas interferem umas nas outras de forma construtiva e destrutiva, amplificando o sinal em uma direção enquanto o cancela em outro lugar. Assim, uma matriz pode criar um feixe de sinal fortemente focado, que pode ser direcionado em diferentes direções, escalonando o tempo das transmissões feitas em vários pontos da matriz.

Um princípio semelhante é usado ao contrário em um receptor de phased array óptico, que é a base para a nova câmera. As ondas de luz que são recebidas por cada elemento na matriz se cancelam em todas as direções, exceto por um. Nessa direção, as ondas se amplificam para criar um "olhar" focalizado que pode ser controlado eletronicamente.

"O que a câmera faz é semelhante a olhar por um canudo fino e digitalizá-lo no campo de visão. Podemos formar uma imagem em uma velocidade incrivelmente rápida, manipulando a luz em vez de mover um objeto mecânico, "diz o estudante de graduação Reza Fatemi (MS '16), autor principal do artigo OSA.

Ano passado, A equipe de Hajimiri lançou uma versão unidimensional da câmera que era capaz de detectar imagens em uma linha, de modo que ele agia como um leitor de código de barras sem lentes, mas sem peças que se moviam mecanicamente. O avanço deste ano foi construir o primeiro array bidimensional capaz de criar uma imagem completa. Esta primeira câmera 2-D sem lente possui uma matriz composta por apenas 64 receptores de luz em uma grade de 8 por 8. A imagem resultante tem baixa resolução. Mas este sistema representa uma prova de conceito para um repensar fundamental da tecnologia de câmeras, Hajimiri e seus colegas dizem.

"As aplicações são infinitas, "diz o estudante de graduação Behrooz Abiri (MS '12), co-autor do artigo OSA. "Mesmo nos smartphones de hoje, a câmera é o componente que limita a espessura do telefone. Depois de ampliado, esta tecnologia pode tornar as lentes e câmeras grossas obsoletas. Pode até ter implicações para a astronomia, permitindo a ultraleve, enormes telescópios planos ultrafinos no solo ou no espaço. "

"A capacidade de controlar eletronicamente todas as propriedades ópticas de uma câmera usando uma camada fina de papel fotônico de silício de baixo custo sem qualquer movimento mecânico, lentes, ou espelhos, abre um novo mundo de imagens que podem parecer papel de parede, persianas, ou mesmo tecido vestível, "diz Hajimiri. A seguir, a equipe trabalhará na ampliação da câmera projetando chips que permitem receptores muito maiores com resolução e sensibilidade mais altas.

O estudo é intitulado "Uma câmera OPA 8X8 Heterodyne Lens-less."