Ultradünne Kamera schießt Bilder ohne Objektiv

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Traditionelle Kameras, selbst jene der dünnsten Mobiltelefone, können wegen ihrer Optik nicht wirklich flach gebaut sein: die Linsen erfordern eine bestimmte Form und Größe, um zu funktionieren. Am California Institute of Technology haben Ingenieure eine neuartige Kamera entwickelt, die herkömmliche Linsen durch eine ultradünne Phased-Array-Optik (OPA) ersetzt. Diese Lösung macht rechnerisch das, was Objektive mit Glas leisten: sie manipuliert das einfallende Licht, um ein Bild zu erzeugen.

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Traditionelle Kameras, selbst jene der dünnsten Mobiltelefone, können wegen ihrer Optik nicht wirklich flach gebaut sein: die Linsen erfordern eine bestimmte Form und Größe, um zu funktionieren. Am California Institute of Technology haben Ingenieure eine neuartige Kamera entwickelt, die herkömmliche Linsen durch eine ultradünne Phased-Array-Optik (OPA) ersetzt. Diese Lösung macht rechnerisch das, was Objektive mit Glas leisten: sie manipuliert das einfallende Licht, um ein Bild zu erzeugen.

Linsen haben eine Wölbung, die das einfallende Licht beugt und auf einen Film oder einen Bildsensor fokussiert. Die Phased-Array-Optik verfügt dagegen über eine Anordnung von Lichtempfänger, von denen jeder dem Licht, das er auffängt, eine gezielt gesteuerte Zeitverschiebung (Phasenverschiebung) zuweist. So kann die Kamera selektiv in verschiedene Richtungen schauen und auf verschiedene Objekte fokussieren.

Wie bei den meisten Dingen im Leben, so Ali Hajimiri, Professor für Electrical Engineering und Medical Engineering am Caltech, sei das Timing alles. Mit dem neuen System könne man selektiv in die gewünschte Richtung schauen und jederzeit auf einen sehr kleinen Teil des Bildes, das vor einem liegt, durch eine femtosekunden-genaue Steuerung. Das Paper wurde an der Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) der Optical Society of America’s (OSA) vorgestellt und von der OSA im OSA Technical Digest im März 2017 publiziert.

Funktionsweise

Eine einzelne, dünne Schicht integrierter photonischer Siliziumkomponenten emuliert Linse und Sensor einer digitalen Kamera. Sie kann ein normales Objektiv nachbilden, aber in kürzester Zeit von einem Fischaugenobjektiv zu einem Tele umschalten, indem die Einstellung, wie das Array Licht empfängt, geändert wird.

Phased Arrays, die in der drahtlosen Kommunikation oder beim Radar zum Einsatz kommen, sind Zusammenfassungen individueller Sender, die alle dasselbe Signal in Form von Wellen senden. Diese Wellen beeinflussen sich gegenseitig verstärkend oder aufhebend; sie verstärken so ein Signal in eine Richtung, während sie es an anderer Stelle aufheben. So kann ein Array einen eng fokussierten Strahl des Signals erzeugen, der sich durch zeitliche Staffelung der Übertragung an verschiedenen Punkten des Arrays in verschiedene Richtungen steuern lässt.

Ein ähnliches Prinzip gilt für den Empfänger in der Phased-Array-Optik, der die Basis für eine neue Kamera bilden soll. Lichtwellen, die jedes Element der Einheit erhält, heben sich aus allen Richtungen auf, nur aus einer nicht. In dieser verstärken sich die Wellen gegenseitig und erzeugen einen fokussierten „Blick“, der sich elektronisch steuern lässt. Reza Fatemi (MS ’16), Hauptautor des OSA-Papers, vergleicht die Funktionsweise mit einem Strohhalm, durch den man schaut, während man mit ihm das Sichtfeld abscannt. Man könne durch die Manipulation des Lichts ein Bild in enormem Tempo erzeugen, ohne ein mechanisches Objekt dafür bewegen zu müssen.

Im vergangenen Jahr hat das Team von Hajamiri eine eindimensionale Version der Kamera vorgestellt mit einer Linie von Lichtempfängern, so dass sie als eine Art linsenloser Barcode-Scanner ohne bewegliche Teile agierte. In diesem Jahr nun entstand ein zweidimensionales Array, mit dem sich ein vollständiges Bild erzeugen ließ. Die erste linsenlose 2D-Kamera verfügt über ein Array mit nur 64 Lichtempfängern in einem 8 x 8-Raster. Das resultierende Bild hat eine geringe Auflösung. Doch das System beweise,  dass ein fundamentaler Wandel der Kameratechnik möglich sei, wie Hajamiri und seine Mitarbeiter sagen.

Die Anwendungsmöglichkeiten seien endlos, meint Behrooz Abiri, Co-Autor des Papers. Sogar in aktuellen Smartphones sei die Kamera der limitierende Faktor, wenn das Gerät möglichst dünn sein soll. Linsen und klobige Kameras könnten bald der Vergangenheit angehören, wenn die Technologie zu voller Blüte gelangt sei. Sie könnte sich selbst in der Astronomie auswirken, indem ultraleichte und dünne Teleskope entwickelt werden könnten.

Alle optischen Eigenschaften könnten elektronisch mit Hilfe einer papierdünnen Schicht aus kostengünstigen optischen Komponenten ohne bewegliche Teile, Objektive oder Spiegel gesteuert werden, so Hajamiri. Als nächsten Schritt wollen die Forscher die Kamera vergrößern und Chips entwickeln, die eine höhere Auflösung und Empfindlichkeit bieten.

 

Bild oben: Der OPA-Chip auf dem PCB. Credit: Caltech

Referenz: Reza Fatemi, Behrooz Abiri, Ali Hajimiri. An 8×8 Heterodyne Lens-less OPA Camera. OSA Technical Digest, 2017 DOI: 10.1364/CLEO_AT.2017.JW2A.9

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