A kép forrása: https://s3-us-west-1.amazonaws.com/www-prod-storage.cloud.caltech.edu/Hajimiri%20Lensless%20chip%20on%20penny%20CROP1600.jpg


A Caltech (California Institute of Technology – Kaliforniai Műegyetem) kutatói ultravékony fényképezőgép fejlesztésén dolgoznak. A gép egyetlen szilicium chipből áll, amelyik lencse (objektív) nélkül képes előállítani az előtte levő téma digitális képfájlját. A kidolgozott elvek megvalósíthatóságát bizonyítandó, két működő változatot készítettek: egy egydimenziósat (egyetlen vonalat leképezőt) 2016-ban, és egy 8x8 képpontból álló képet rögzítő kétdimenziósat, amelyet 2017 június 21-én mutattak be. A következő lépés sokkal nagyobb felbontású és magasabb érzékenységű kamera-chip elkészítése. Ez a megközelítés forradalmasíthatja a digitális fényképezés technológiáját, a fényképezőgépek gyártását, és alkalmazását.

Jelentősége

Lehet lencse nélkül fényképezni? A lyukkamerát (Camera Obscurát) természetesen használhatjuk, használják is fényképezésre, és az általában nem tartalmaz lencsét. De a fényzáró dobozon, a képérzékelővel szemben elhelyezkedő apró lyuk ugyanúgy optikai leképezést valósít meg, mint egy gyűjtőlencse, vagy összetett lencserendszer (fotó objektív). Ezért az objektívet (leképező rendszert) a fényképezőgép elengedhetetlen alkotó részének tekintjük. (Az eljárás magyar elnevezése pontosan utal rá: fényképezés, fénnyel történő leképezés). A fényképezésről alkotott fogalmunkat alapvetően változtatja meg a címben megjelölt műszaki megoldás, amennyiben a konstruktőrök sikeresen tovább fejlesztik, és jelentősen megnövelik felbontó képességét. Eddigi eredményeik alapján erre jó esélyük van. A szinte papír vékonyságú fényképezőgép nem csak drasztikus fogalmi változást hoz, a fényképezés alkalmazásai terén is mélyreható változást eredményez, merőben új alkalmazásokat tesz lehetővé. Gondoljunk csak az okos telefonokra. Ezek fejlesztésének egyik vonulata vastagságuk csökkentése. A készülék standard eleme, a leképezés elvén működő fényképezőgép, bármennyire is sikerült miniatürizálni, mára a vastagság csökkentési törekvésnek áthághatatlannak tűnő akadályt jelent. Jelenleg a legvékonyabb mobilokon a fényképezőgép nem éppen esztétikus dudort képez. És a fényképezőgép-chip vékonysága csak az egyik drasztikus változás, hasonlóan drasztikus változás következhet be a fényképezőgép árában. A mikroelektronika, a mikrochipek gyártása szinte nyomdatechnika, sorozatgyártása kitűnően automatizálható, és extra nagy sorozat esetén (a különböző célú fényképezőgépekből a lakossági, ipari és tudományos felhasználás miatt bizony nagyon sok fogy) rendkívül olcsó. Ez a megoldás szükségtelenné teszi a költséges optikát és az egyéb mozgó alkatrészeket. Ónálló készülék esetén a kezelőszervek költsége akár többszöröse lehet az érdemi alkatrésznek, de legtöbb felhasználás esetén más készülékkel (pl. számítógép) kiváltható, az általános felhasználás esetén pl. az okos telefonnal.

Működési elve

Fázisvezérelt antennarács működése

Hogyan kerülhetjük meg a leképezés szükségességét a kép megalkotásában? A megoldás az Optical Pahased Array (OPA – magyarul talán „fázisvezérelt optikai rács”) technológia, amit 1996-ban publikáltak. Ez alapvetően pl. reflektált fénynyalábok irányának egyszerű, rugalmas, mechanikai mozgatás nélküli befolyásolására szolgál. Az elvet még korábban, Phased Array (magyarul „Fázisvezérelt antennarács") néven dolgozta ki az oszcilloszkópokhoz és TV-képernyőkhöz szükséges katódsugárcsövet megalkotó Nobel-díjas német fizikus, feltaláló, Karl Ferdinand Braun 1905-ben. Ez rádióhullámoknak kollimált nyalábként, meghatározott irányba kisugárzását teszi lehetővé. A II Világháború idején az ugyancsak Nobel-díjas amerikai fizikus, Luis Walter Alvarez fejlesztette tovább, biztosítva a nyaláb irányának gyors változtatását (a radar-technikában nyert széles körű alkalmazástt).

Változtatott irányú rádióhullám nyaláb

A jelen cikkünk témájául szolgáló fényképező-chipet, az Ali Hajimiri Caltech professzor által kifejlesztett fázisvezérelt optikai rácsot (OPA) a fázisvezérelt antennarács fordítottjaként értelmezhetünk. Mivel annak működése, megítélésünk szerint, könnyebben megérthető, jobban átlátható, azt mutatjuk be először  Az animáció egy fázisvezérelt antennarács működését szemlélteti. Az A antennákat a TX trádiófrekvenciás generátor táplálja egy-egy Φ késleltető áramkörön keresztül, amelyeket egy C számítógép vezérel. A piros köralakú vonalak az egyes antennák által kisugárzott rádióhullámok (gömbhullámok) hullámfrontjait szemléltetik (az egyes antennák minden irányba sugároznak). A késleltetések az egyes hullámok között meghatározott fáziseltolást hoznak létre, az egyes hullámok interferenciája eredményeként a hullámok bizonyos irányokban kioltják, meghatározott irányban viszont erősítik egymást. Így jön létre a Θ szög által meghatározott irányba haladó síkhullám. A késleltetések (fáziseltolások) megváltoztatásával a rádióhullám nyaláb Θ iránya a számítógéppel tetszőlegesen, gyorsan, mozgó alkatrészek nélkül megváltoztatható. A következő animáció egy 15 darab antennából álló rács által keltett, széles szögtartományban folyamatosan változtatott irányú rádióhullám nyalábot szemléltet. Az animációk forrása a Wikipedia: 

https://en.wikipedia.org/wiki/Phased_array#/media/File:Phased_array_animation_with_arrow_10frames_371x400px_100ms.gif 

illetve https://en.wikipedia.org/wiki/Phased_array#/media/File:Phasearray.gif 

Gyűjtőlencse képalkotás

A. Hajimiri kutatócsoportja által kifejlesztett fázisvezérelt optikai rács (OPA) működése a fázisvezérelt antenna rács fordítottjaként működik. Mivel: a fénysugár útja megfordítható, a minden irányból érkező fénysugarak közül, magfelelő fáziseltolásokkal elkülöníthető egyetlen beérkező irány (amelyik irányban erősítés van, míg a többi irányban kioltás. Az OPA-ban nagyszámú fényérzékelő van, ezek mindegyike pontosan szabályozott időkésleltetéssel (fáziseltolással) érzékeli a fényt, ezek őszzege interferencia révén kiválaszt egy erősítési irányt. Az OPA csak ebből az irányból bejövő fényt érzékeli, mintegy fókuszál ebbe az irányba. Ehhez az időzítés vezérlése femtoszekundum (10-15 s) pontosságú kell legyen. A késleltetések módosításával az érzékelt fénynyaláb iránya egyszerűen, gyorsan megváltoztatható. Hajimiri chip-kamerája úgy működik, mintha egy vékony szalmaszálon át néznénk (a fókuszálás irányába), és ennek mozgatásával tapogatnánk le a látóteret, érzékelnénk a tárgy különböző pontjaiból beérkező fényt. Hihetetlen gyorsasággal tapogatható le a teljes látótér, készíthető el a teljes kép a fény manipulálásával, a késleltetések átállításával. A tárgy egyes pontjaiból beérkező fény-jelekből a számítógép rakja össze a képfájlt.

OPA képalkotása

A fényképezőgép lencséje (objektívje) a tárgy különböző pontjaiból kiinduló fénysugarakat az érzékelő más-más pontjára fókuszálja, így képezi le a tárgyat az érzékelőre (a gyűjtőlencse képalkotását szemléltető ábrén a tárgy két pontját leképező fénysugarak szerepelnek). Az OPA esetében nincs leképezés, egy-egy időpillanatban egy-egy meghatározott irányból érkező (a tárgy egy-egy pontjából kiinduló) fény kerül detektálásra (az ábrán a távoli tárgy két különböző pontjából érkező (közel párhuzamos) fénysugarak szerepelnek, de ezek két különböző időpontban kerülnek detektálásra.

A teljes fényképezőgép egyetlen (papírvastagságú) szilicium chipben megvalósítható, ami tartalmazza a fénydetektorokat, és a fénynyaláb detektálásával kapcsolatos vezérlő elektronikát egyaránt - csak a látómezőben a fénynyaláb mozgatásának vezérlése van külső áramkörben (pl. egy számítógépben, okos telefonban).

A 8x8-as kamera-chip (címlap-kép részlete)

A címlap képen bemutatott chip vastagságát pusztán az önmagában kezelhetőségét biztosító hordozó adja (lásd itt a chipet magát, kinagyítva), más készülékbe beépítéskor az lényegesen csökkenthető. A korábban felsoroltakon (roppant kis vastagság, alacsony ár, mozgó alkatrészek hiánya) túlmenő előnye, hogy elektronikus úton, pillanat alatt módosítható a kép érzékelésének látószöge (akár halszem optika hatásból teleobjektív hatásra).

Azt hiszem, érdeklődéssel várhatjuk a fejlesztés további eredményeit. Talán néhány év múlva kereskedelmi forgalomba kerülhetnek a papítvastagságú, valóban lencse nélkül működő fényképezőgépek.