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Optical Phased Array

Ultradünne Kamera macht Bilder ohne Objektiv

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Der OPA-Prototyp im experimentellen Kameragehäuse.(Bild: Caltech)
Der OPA-Prototyp im experimentellen Kameragehäuse.
(Bild: Caltech)

Bei Phased Arrays handelt es sich um eine Ansammlung an Transmittern, die alle zusammen das selbe Signal in Wellenform aussenden. Diese Wellen überlagern einander auf konstruktive wie auch störende Art und Weise, was das Signal in einer Richtung verstärkt und an anderen Stellen unterbindet. Auf diese Weise kann ein solches Array ein streng fokussiertes Signal ausstrahlen, welches sich gezielt in verschiedene Richtungen lenken lässt, indem das Timing der Transmissionen, die an verschiedenen Stellen entlang des Arrays entstehen, gezielt gestuft wird. Phased Arrays kommen

Ein ähnliches Prinzip kommt auf umgekehrte Weise in einem OPA-Receiver zum Einsatz, der als Basis für die neuartige Kamera dient. Lichtwellen, die von jedem Element entlang des Arrays empfangen werden, heben einander aus allen Richtungen außer einer speziell Gewählten gezielt auf. Aus dieser Richtung verstärken die eingehenden Wellen einander, um so einen fokussierten „Blick“ zu erzeugen, der dann elektronisch kontrolliert werden kann.

„Was die Kamera letztendlich macht ist vergleichbar damit, durch einen dünnen Strohhalm zu blicken und auf diese Weise das gesamte Blickfeld abzuscannen“, sagt Doktorand Reza Fatemi, einer der weiteren führenden Autoren des zugehörigen OSA-Papers. „Wir können ein Bild auf eine unglaublich schnelle Art erzeugen, indem wir den Lichtweg manipulieren, anstatt ein mechanisches Objekt zu bewegen“.

Dem Forschungsteam ist es dabei erstmals gelungen, ein zweidimensionales Array zu bauen und damit ein vollständiges Bild aufzunehmen. Diese erste linsenlose Kamera besitzt ein Optical Phasy Array bestehend aus 64 Lichtempfängern (Light Receivers), die in einer 8x8 Matrix angeordnet sind.

Der Aufbau ist noch eine Konzeptstudie, die Auflösung des resultierenden Bildes daher noch äußerst gering - effektiv entsteht eine 8x8 Pixel große Aufnahme. Dennoch stellten die Ergebnisse unter Beweis, dass sich hiermit die Funktionsweise herkömmlicher Kameras von Grund auf überdenken lasse, sagen Hajimiri und seine Mitarbeiter. Dies könne bis hin zu deutlich kleineren und günstigeren Kameras führen. Schließlich sei beispielsweise die Dicke in Smartphonekameras weiterhin von der Größe des Objektivs abhängig. Mit der neuen Technologie wäre ein deutlich flacherer Chip möglich, der sowohl das Objektiv als auch den Bildsensor ersetzt. Auch für die Astronomie wären, entsprechend hochskaliert, deutlich leistungsstärkere Teleskope denkbar. „Es ermöglicht eine neue Welt an Bildaufzeichnern, die aussehen könnten wie Tapeten, Jalousien oder tragbarer Stoff," meint Hajimiri.

Die Forscher haben ihre Studie auf der „Conference on Lasers and Electro-Optics“ (CLEO) der Optical Society of America (OSA) erstmals vorgestellt und in der Online-Ausgabe des OSA Technical Digest unter dem Titel An 8X8 Heterodyne Lens-less OPA Camera publiziert.

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