Привычные нам фотокамеры — даже те, что стоят на тончайших смартфонах — не могут обойтись без оптики. Нужны линзы определённой формы и размера. В стенах Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology, Caltech) разрабатывается камера принципиально новой конструкции, в которой «линзой» служит ультратонкая оптическая фазированная решётка (optical phased array, OPA). Это система, которая делает то же, что и линзы: манипулирует входящим светом, что необходимо для фотосъёмки.
Линзы имеют кривизну, которая позволяет направлять входящий свет и фокусировать его на кадре плёнки или, в случае цифровой камеры, светочувствительном датчике. OPA — массив из приёмников света, каждый из которых может индивидуально добавлять контролируемую временную задержку (или сдвиг фазы) для света, который он получает, позволяя камере избирательно смотреть в разных направлениях и фокусироваться на определённой области пространства.
«Здесь, как и в большинстве других жизненных обстоятельств, время решает всё. Благодаря нашей новой системе, вы сможете сосредоточиться на нужном направлении и на очень небольшой части общей картины перед вами в любой момент времени, путём контроля времени с фемтосекундной (квадриллионная часть секунды) точностью», — утверждает профессор Али Хаджимири (Ali Hajimiri), руководитель исследования.
«Мы создали единый тонкий слой интегрированной кремниевой фотоники, которая эмулирует и объектив, и светочувствительную матрицу цифрового фотоаппарата. Он может имитировать работу обычного объектива, но способен переключаться с режима «рыбий глаз» в режим длиннофокусного объектива мгновенно», — говорит Хаджимири. Кроме необыкновенной скорости работы «зума», аппараты на основе данной разработки будут необыкновенно тонкими, тоньше любой системы со стеклянными линзами.
Фазированные решётки сейчас используются в беспроводной связи и радиолокации. Они представляют собой массивы отдельных передатчиков, которые посылают один и тот же сигнал в виде волн. Эти волны интерферируют и благодаря этому явлению массив может создавать плотно сфокусированный сигнал, направленностью которого можно управлять, распределяя время передачи сигналов из различных точек массива.
Этот же принцип, но «вывернутый наизнанку», используется в конструкции новой камеры. Световые волны, которые принимаются каждым элементом массива, могут ослаблять друг друга на всех направлениях, кроме одного. В выбранном же направлении волны будут усиливать друг друга.
«То, что камера делает, похоже на сканирование изображения через тонкую трубочку. Мы можем сформировать образ, с невероятно высокой скоростью манипулируя светом вместо того, чтобы использовать механику», — говорит ещё один автор разработки, аспирант Реза Фатеми (Reza Fatemi).
В прошлом году команда Хаджимири показывала «одномерную» версию камеры, которая была способна распознавать линейные изображения. Это был своего рода сканер штрихкодов, но без движущихся механических частей. В этом году построена первый двумерный массив из 64 светочувствительных элементов — решётка 8×8. Понятно, что это только прототип и с его помощью можно получить изображение с крайне низким разрешением. Но построенная система доказывает работоспособность концепции, которая может в будущем фундаментально изменить технологию производства фотокамер.
«Возможность контролировать все оптические свойства камеры электронным способом и использование тончайшей и дешёвой Кремниевой фотоники без необходимости применять какие-либо движущиеся части, линзы или зеркала, открывает новый мир приборов для получения изображений», — говорит Хаджимири.
В планах профессора Хаджимири и его команды — создание устройства с большей чувствительностью и разрешением.
