無需鏡頭就能成像的超薄相機

傳統相機——即使是那些手機上的最薄的相機，由於其光學結構都無法做到真正的扁平：為了正確成像，鏡頭需要具備特定的形狀和尺寸。加州理工學院的工程師們提出了一種新的相機設計，利用超薄光學相控陣(OPA)取代了鏡頭。OPA利用大片玻璃完成了鏡頭做的事：操縱進入光線捕捉圖像。

具有弧度的鏡頭會彎曲進入光線的光路，將其聚焦到一片薄膜或者數碼相機中的圖像感測器上。OPA具有一個光線接收器的大型陣列，每一個都能對接收到的光線單獨施加一個嚴密控制的時延(或者相移)，使得相機能選擇性地查看不同方向，並聚焦不同事物。

credit: 煎蛋畫師BC

論文主要研究者、加州理工學院工程與應用科學系電子工程與醫學工程Bren教授Ali Hajimiri說道：「此處，正如生命中的其他事情，時機就是一切。有了我們的新系統，通過將時機控制到飛秒——千萬分之一秒精度，你就能選擇性查看期望的方向，在任何時候看前方非常小的一部分情景。」這篇論文在美國光學學會(OSA)的激光與電光學(CLEO)會議上作了報告，並被OSA發布在了今年3月的OSA技術文摘上。

Hajimiri說道：「我們設計了一種集成硅光子學的超薄單層，模擬數碼相機的鏡頭和感測器，減少了數碼相機的厚度和成本。它能模擬規則的鏡頭，但也能立刻從魚眼鏡頭切換為長焦鏡頭，只需要簡單調節這個陣列接收光線的方式即可。」

相控陣被用於無線通訊和雷達中，是單獨信號傳送器的集合，所有單個的信號傳送器都以波形式發送相同的信號。這些波之間相互正向干擾或者負向干擾，由此在某個方向放大信號，而在其他地方削弱信號。因而陣列能創造緊密聚焦信號束，通過交錯陣列中不同點的傳輸時機就能操縱信號束以不同的朝向發射出去。

光學相控陣接收器則是逆向運用類似的原理，這也是這一新相機的基礎。陣列上每個元素接收到的光波在除了某個方向之外的所有方向上相互抵消。在那個方向上，光波相互增強，形成聚焦的「注視」，可被電子控制。

第一作者、研究生Reza Fatemi說道：「相機所做的就類似於通過吸管觀看外面，並進行視野內的全部掃描。通過操縱光線而非機械物體，我們能以非常快的速度成像。」

去年，Hajimiri的團隊推出了相機的一維版本，能夠線性檢測圖像，就像是一個無鏡頭的條形碼閱讀器，但是沒有機械移動的零件。這項今年的進步是建立首個能捕捉整幅圖像的二維陣列。這一首個二維無鏡頭相機是由64個按照8*8格子排列的光線接收器組成。得到的圖像只具有較低解析度。Hajimiri和他的同事稱，但這一系統表示了相機技術基礎再思考的概念驗證。

論文共同作者、研究生Behrooz Abiri說道：「應用是無止境的。即使在今天的智能手機，相機仍然是限制手機所能達到輕薄程度的部件。一旦比例放大，這一技術就能淘汰現有的鏡頭和較厚的相機。這也可以用於天文學中，使得地面上或太空中的超輕型，超薄大型望遠鏡成為可能。」

Hajimiri說道：「這個新型相機能利用紙一般薄的低成本硅光子層電子控制相機的所有光學性質，無需任何機械移動、鏡頭或者鏡面，這一能力為成像器打開了一個新的世界，使其可以看起來像報紙、百葉窗或者甚至是可穿戴織物。」接下來，團隊將設計能容納更大接收器的晶元，努力提升相機的規模，提高解析度和靈敏度。

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

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。Robert Perkins

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