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Optical Phased Array Ultradünne Kamera macht Bilder ohne Objektiv

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Herkömmliche Kameras benötigen für ihre Optik Linsen, deren Form und Größe die Dicke des Gerätsbestimmen. Forscher des California Institute of Technology (Caltech) haben nun ein Kameradesign entwickelt, bei dem ein ultradünner Optical Phased Array (OPA) genannter Chip die Linse ersetzt.

Chip statt Linse: Das ultradünne Optical Phase Array (hier im Größenvergleich auf einer Penny-Münze) ermöglicht neue Größen- und Formfaktoren für kleine, flexible digitale Kameras.
Chip statt Linse: Das ultradünne Optical Phase Array (hier im Größenvergleich auf einer Penny-Münze) ermöglicht neue Größen- und Formfaktoren für kleine, flexible digitale Kameras.
(Bild: Caltech)

Der OPA genannte Chip erledigt auf rechnerischem Weg das, wofür herkömmliche Kameras ein Objektiv verwenden: er manipuliert eingehendes Licht und setzt es in ein Bild um.

„Wir haben eine einzelne dünne Schicht an integrierter Silizium-Photonik geschaffen, welche sowohl das Objektiv als auch den Bildsensor einer digitalen Kamera emuliert,“ erläutert Ali Hajimiri, Bren Professor of Electrical Engineering and Medical Engineering bei Caltech und Hauptautor der Studie, die die Funktionsweise des OPA beschreibt. „Sie kann eine reguläre Linse nachahmen, allerdings instantan von einem Fischauge- zu einem Fernobjektiv umschalten – allein durch eine einfache Einstellung in der Art, wie das Array Licht empfängt.“

Linsen sind gekrümmt, um die Bahn eingehenden Lichts zu verändern und auf Film oder - im Falle von Digitalkameras - einem Bildsensor zu bündeln. Der OPA verwendet statt dessen eine Reihe von Lichtempfängern, von welchem jeder einzelne eine genau kontrollierte Zeitverzögerung bzw. Phasenverschiebung auf das auf ihn eingehende Licht anwenden kann. Das ermöglicht der Kamera, selektiv in unterschiedliche Richtungen zu blicken und sich auf unterschiedliche Objekte zu fokussieren.

„Wie bei den meisten Dingen im Leben kommt auch hier alles aufs Timing an,“ führt Hajimiri weiter aus. „Mit unserem neuen System ist man in der Lage, selektiv in eine gewünschte Richtung und auf einen ganz bestimmten, kleinen Bereich des Bildes zu jedem beliebigen Zeitpunkt zu blicken, mit einem Timing von der Präzision einer Femtosekunde (0,000.000.000.000.001 sek).“

Phased Arrays kommen meist bei Antennen in der Kommunikations-Technologie zum Einsatz. Forscher des Caltech arbeiten aber schon seit einigen Jahren an praktikablen Möglichkeiten, sogenannte Optical Phased Arrays in der Optik einzusetzen.

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