新型相机用超薄光相控阵列代替镜头

  【雷竞技须安全稳定 数码频道】新设计的替代传统的透镜加光线接收器阵列的照相机结构，使照相机更薄、更轻、更便宜、更方便易用。

  工程师已设计出了一种不需要镜头调焦的照相机。它能立即完成从鱼眼(广角)镜头到长焦距镜头模式的转换。

  传统的照相机，即使是那些超薄手机中的照相机，由于其光学结构，不可能做成真正的平板，因为透镜需要达到一定的尺寸形状标准，才能实现其功能。在加利福利亚理工学院，工程师们开发出了一种新的照相机设计方案，用超薄的光学相控阵代替透镜。光学相控阵(OPA)通过一大块能操控输入光线以获得图像的玻璃，再通过计算实现透镜功能。

  透镜有一个弯曲输入光线传播路径的弧度，从而能够将光线聚焦于一块胶片上，在数字照相机中，则是聚焦于图像传感器上。OPA有一个巨大的光线接受器阵列，每个光线接受器都能向接收的输入光线中，独立地加入固定的时延(即相移)，从而使照相机能选择性地从不同方向，或针对不同物体进行成像。

  “在这里，就像生活中的许多其它事件一样，时机决定一切。利用我们的新系统，你能在任意时间内，对位于你面前的图片的一小部分，以你所希望的方向进行选择性观察。这都是通过以飞秒--即千万亿分之一秒的精度方式控制时间点，来实现的。”加利弗利亚理工学院工程应用科学系的医药及电子工程领域的Bren教授，及介绍新相机论文的基本原理研究者，阿里.哈吉米瑞说道。该论文最初出现在美国光学会的激光及光电研讨会上，并被美国光学会在2017年5月的《技术文摘》中进行在线发表。

  “我们创造出集成的硅光子单个薄层，它能模仿数字相机的透镜和传感器，从而降低数字相机的厚度与成本。它可以象普通透镜一样工作，但只需通过对光学相控阵(OPA)的受光方式作简单调整，就能立即实现从广角镜头到长焦镜头的切换。”哈吉米瑞说道。

  用于无线通讯与雷达领域的相控阵，是各自独立的单发射器的集合，这些发射器都发送同样的信号波。这些信号波通过相互间的加强及削弱而形成干涉，从而实现在一个方向放大信号，而在其它方向取消信号波的发送。因此相控阵能创造出稳定的聚焦于一个方向的信号波束，这也可以通过调整整个相控阵不同发射器结点的发送时机，来实现在不同方向进行聚焦的操作。

  一个类似的原理被逆相应用在光学相控阵接受器上，它也是新照相机的基础。被整个光学相控阵的接受器单元接受的光波，除了一个方向得到加强外，其它方向都相互抵消。在光波相互加强的方向上，形成能以电子方式控制的聚焦凝视。

  该OSA论文的第一作者，研究生雷扎·法特米（MS '16）说：“照相机的作用就像穿过很薄的一层稻草看东西，并扫描这层稻草以找到视角，我们可以通过操控光而不是移动机械物体以实现非常快的速度形成图像。”

 去年，哈吉米瑞的团队推出了一种能够在一条线上探测图像的一维版本的相机，使其像无镜头的条形码读取器那样运作，这种一维相机没有机械移动的部件。今年的进步是建立了首个能够创建完整图像的二维阵列。该首个2D无镜头相机具有一个由8×8网格中的64个光接收器组成的阵列。所获得图像的分辨率低。但是，这个系统代表了对相机技术的根本反思的概念证明，哈吉米瑞和他的同事说道。

 “应用是无止境的”，该OSA论文的共同作者的研究生贝赫鲁兹·阿比瑞（MS '12）说道。“即使在今天的智能手机中，相机也是限制手机能够达到多薄的组件，一旦升级换代，这种技术可以使得镜头和尺寸厚的相机过时。甚至可以通过在地面或太空中采用超轻，超薄的巨大的平面望远镜将这种技术应用到天文学中”。

 “使用低成本硅光子学的如纸般薄的薄层来电子控制相机的所有光学特性，这种控制不采用任何机械运动、镜头或镜子，这开启了一个成像器件新大陆，这种成像器件可以看起来像壁纸，百叶帘甚至可穿戴的织物。”哈吉米瑞说道。接下来，该团队将通过设计芯片来升级这种相机，设计的芯片能够使相机具有更多的接收器，使相机具有更高分辨率和灵敏度。

  美国加州理工学院教授、相关论文的首席研究员 Ali Hajimiri 说：

  “我们已设计出集成硅光学元件的单一薄层，它可以模仿数码摄像头的镜头和传感器，减少数码摄像头的厚度和成本。它不仅可以模仿常规镜头，而且还可以即时从鱼眼模式切换到长焦模式，只需简单调整接收光线的阵列就可以。”

  “利用一层纸薄的低功耗硅光学元件，无需任何机械运转、透镜或者镜子，电子地控制摄像头所有的光学特性，为成像设备开辟了一片新天地，使它们更像墙纸、百叶窗或者是可穿戴的织物。”

  下一步，团队将致力于通过设计芯片，使得接收器变得更大，同时具有更高的分辨率和灵敏度，从而进一步拓展这种摄像头的研发。