La cámara tradicional, incluso la de los teléfonos móviles más delgados, no pueden ser verdaderamente planas debido a las lentes de su óptica: lentes que requieren una cierta forma y tamaño para funcionar. En Caltech, los ingenieros han desarrollado un nuevo diseño de cámara que reemplaza las lentes con una matriz óptica ultrafina (OPA). La OPA hace computacionalmente lo que hacen las lentes usando grandes piezas de vidrio: manipula la luz entrante para capturar una imagen.
Las lentes tienen una curva que dobla la trayectoria de la luz entrante y la fija en una película o, en el caso de las cámaras digitales, un sensor de imagen. El OPA tiene una amplia gama de receptores de luz, cada uno de los cuales puede agregar individualmente un retardo de tiempo firmemente controlado (o cambio de fase) a la luz que recibe, permitiendo a la cámara buscar selectivamente en diferentes direcciones y centrarse en diferentes cosas.
«Aquí, como en la mayoría de las otras cosas de la vida, el tiempo lo es todo, con nuestro nuevo sistema, puedes mirar selectivamente en la dirección deseada y en una pequeña parte de la imagen delante de ti en cualquier momento, controlando el tiempo, dice Ali Hajimiri, profesor de Ingeniería Eléctrica y Ingeniería Médica en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech, e investigador principal de un estudio que describe la nueva cámara. El artículo fue presentado en la Conferencia de la Sociedad Óptica de América (OSA) sobre lasers y electro-óptica (CLEO) y publicado en línea por la OSA en el OSA Technical Digest en marzo de 2017.
«Hemos creado una sola capa fina de fotónica integrada de silicio que emula el objetivo y el sensor de una cámara digital, reduciendo el grosor y el coste de las cámaras digitales. Puede imitar una lente regular, pero puede cambiar de un ojo de pez a un teleobjetivo instantáneamente, con solo un simple ajuste en la forma en que la matriz recibe luz«, dice Hajimiri.
Las matrices en fase, que se utilizan en la comunicación inalámbrica y el radar, son colecciones de transmisores individuales, todos envían la misma señal que las ondas. Estas ondas interfieren entre sí de forma constructiva y destructiva, amplificando la señal en una dirección mientras se anula en otro lugar. Por lo tanto, una matriz puede crear un haz de señal estrechamente enfocado, que se puede dirigir en diferentes direcciones escalonando la sincronización de las transmisiones hechas en varios puntos a través de la matriz.
Un principio similar se utiliza a la inversa en un receptor de matriz en fase óptica, que es la base para la nueva cámara. Las ondas de luz que son recibidas por cada elemento a través de la matriz se cancelan entre sí desde todas las direcciones, excepto una. En esa dirección, las ondas se amplifican para crear una «mirada» enfocada que puede ser controlada electrónicamente y así pueden ser substituidas las lentes.
«Lo que hace la cámara es similar a mirar a través de una paja fina y escanearla a través del campo de visión. Podemos formar una imagen a una velocidad increíblemente rápida manipulando la luz en lugar de mover un objeto mecánico«, dice el estudiante Reza Fatemi MS ’16), autor principal del documento OSA.
El año pasado, el equipo de Hajimiri lanzó una versión unidimensional de la cámara que era capaz de detectar imágenes en una línea, de modo que actuaba como un lector de código de barras sin lente, pero sin partes mecánicamente móviles. El avance de este año fue construir la primera matriz bidimensional capaz de crear una imagen completa. Esta primera cámara sin lentes 2D tiene una matriz compuesta de solo 64 receptores de luz en una cuadrícula de 8 por 8. La imagen resultante tiene baja resolución. Pero este sistema representa una prueba de concepto para un replanteamiento fundamental de la tecnología de cámaras, dicen Hajimiri y sus colegas.
«Las aplicaciones son infinitas«, dice el estudiante de posgrado Behrooz Abiri (MS ’12), coautor del trabajo de OSA. «Incluso en los teléfonos inteligentes de hoy en día, la cámara es el componente que limita la delgadez de tu teléfono. Una vez ampliada, esta tecnología puede volver en obsoletas lentes y cámaras gruesas.
«La capacidad de controlar electrónicamente todas las propiedades ópticas de una cámara utilizando una fina capa de fotónica de silicio de bajo coste sin ningún movimiento mecánico, lentes o espejos, abre un nuevo mundo de imágenes que podría parecerse a papel tapiz, persianas o Incluso la tela usable «, dice Hajimiri. A continuación, el equipo trabajará en la ampliación de la cámara mediante el diseño de chips que permiten receptores mucho más grandes con mayor resolución y sensibilidad.
