@ 2017.07.11 , 11:00

无需镜头就能成像的超薄相机

传统相机——即使是那些手机上的最薄的相机,由于其光学结构都无法做到真正的扁平:为了正确成像,镜头需要具备特定的形状和尺寸。加州理工学院的工程师们提出了一种新的相机设计,利用超薄光学相控阵(OPA)取代了镜头。OPA利用大片玻璃完成了镜头做的事:操纵进入光线捕捉图像。

具有弧度的镜头会弯曲进入光线的光路,将其聚焦到一片薄膜或者数码相机中的图像传感器上。OPA具有一个光线接收器的大型阵列,每一个都能对接收到的光线单独施加一个严密控制的时延(或者相移),使得相机能选择性地查看不同方向,并聚焦不同事物。

无需镜头就能成像的超薄相机
credit: 煎蛋画师BC

论文主要研究者、加州理工学院工程与应用科学系电子工程与医学工程Bren教授Ali Hajimiri说道:“此处,正如生命中的其他事情,时机就是一切。有了我们的新系统,通过将时机控制到飞秒——千万分之一秒精度,你就能选择性查看期望的方向,在任何时候看前方非常小的一部分情景。”这篇论文在美国光学学会(OSA)的激光与电光学(CLEO)会议上作了报告,并被OSA发布在了今年3月的OSA技术文摘上。

Hajimiri说道:“我们设计了一种集成硅光子学的超薄单层,模拟数码相机的镜头和传感器,减少了数码相机的厚度和成本。它能模拟规则的镜头,但也能立刻从鱼眼镜头切换为长焦镜头,只需要简单调节这个阵列接收光线的方式即可。”

相控阵被用于无线通讯和雷达中,是单独信号传送器的集合,所有单个的信号传送器都以波形式发送相同的信号。这些波之间相互正向干扰或者负向干扰,由此在某个方向放大信号,而在其他地方削弱信号。因而阵列能创造紧密聚焦信号束,通过交错阵列中不同点的传输时机就能操纵信号束以不同的朝向发射出去。

光学相控阵接收器则是逆向运用类似的原理,这也是这一新相机的基础。阵列上每个元素接收到的光波在除了某个方向之外的所有方向上相互抵消。在那个方向上,光波相互增强,形成聚焦的“注视”,可被电子控制。

第一作者、研究生Reza Fatemi说道:“相机所做的就类似于通过吸管观看外面,并进行视野内的全部扫描。通过操纵光线而非机械物体,我们能以非常快的速度成像。”

去年,Hajimiri的团队推出了相机的一维版本,能够线性检测图像,就像是一个无镜头的条形码阅读器,但是没有机械移动的零件。这项今年的进步是建立首个能捕捉整幅图像的二维阵列。这一首个二维无镜头相机是由64个按照8*8格子排列的光线接收器组成。得到的图像只具有较低分辨率。Hajimiri和他的同事称,但这一系统表示了相机技术基础再思考的概念验证。

论文共同作者、研究生Behrooz Abiri说道:“应用是无止境的。即使在今天的智能手机,相机仍然是限制手机所能达到轻薄程度的部件。一旦比例放大,这一技术就能淘汰现有的镜头和较厚的相机。这也可以用于天文学中,使得地面上或太空中的超轻型,超薄大型望远镜成为可能。”

Hajimiri说道:“这个新型相机能利用纸一般薄的低成本硅光子层电子控制相机的所有光学性质,无需任何机械移动、镜头或者镜面,这一能力为成像器打开了一个新的世界,使其可以看起来像报纸、百叶窗或者甚至是可穿戴织物。”接下来,团队将设计能容纳更大接收器的芯片,努力提升相机的规模,提高分辨率和灵敏度。

论文原文:An 8x8 Heterodyne Lens-less OPA Camera

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。Robert Perkins


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