Jön a falakon átlátó fényképezőgép

2019.10.06. 21:52

A korábbi termetes masinákhoz képest az új nanofotonikai mikrohullám-detektor egy pár milliméteres chipen elfér, így simán beépíthető egy fényképezőgép méretű eszközbe.

A Pennsylvaniai Egyetem (UPenn) kutatói mikrohullámú sugárzást leképező chipet fejlesztettek ki, amely hamarosan hordozható mikrohullám-detektorokba és kamerákba kerülhet. A mikrohullámok olyan közegeken is áthaladnak, amelyek a fény számára áthatolhatatlanok, ezért az új eszközzel falakon nézhetünk majd át, vagy megpillanthatjuk a szervezet belsejében növekvő daganatokat.

A mikrohullám a fényhez hasonlóan szintén az elektromágneses sugárzás egyik formája, ám hullámhossza a látható fényénél jóval nagyobb, 3 mm és 300 mm közé esik. (A látható fény hullámhossza a pár 100 nanométeres tartományban található, vagyis tízezred-milliomod része a mikrohulláménak. A mikrohullám tehát nem a fényhez, hanem a hagyományosan méteres-kilométeres hullámhosszú rádióhullámokhoz képest „mikro"). A fénynél sokkal nagyobb hullámhosszának köszönheti áthatolóképességét: ugyanúgy nem gond neki átmenni a falon, ahogy a rádióhullámok is simán közlekednek egyik szobából a másikba. A mikrohullámú sütőnkből csak azért nem szivárog a sugárzás, mert a készülék teste a hullámokat felfogó Faraday-kalitkát alkot.

A UPenn munkatársai az amerikai Optical Society rangos folyóiratában, az Optica-ban ismertetik, hogyan építették fel a félvezetőgyártás hagyományos technológiájával azt a mikrohullám-leképező chipet, amely egy 2 milliméter élhosszú – tehát egy ceruzavégi radír felét kitevő – négyzet felületén több mint 1000 nanofotonikai egységet hordoz. 

A kísérleti chip elkészítéseForrás: Farshid Ashtiani/Upenn

„A ma használatos mikrohullámú képalkotók drága és méretes asztali berendezések – vázolja a kutatócsoportot vezető Firooz Aflatouni. – Az általunk fejlesztett új, közeli-mikrohullámú képalkotó eszköz elektronika helyett optikát használ a mikrohullámú jelek feldolgozásához. Ez lehetővé tette a számunkra, hogy chip-alapú képalkotó panelt hozzunk létre; olyasmit, mint az okostelefonokba épített fényképezőgépek chip-szenzorai."

A kézben hordható közeli-mikrohullámú kamerák lehetséges alkalmazási köre igen szerteágazó. A szóba jöhető orvosi alkalmazások között említhető például a nagyfelbontású agyi képalkotás, valamint a szív és a légzőmozgások megfigyelése, de a mikrohullámú képdetektorok miniatürizálása olyan területeken is hasznosnak bizonyulhat, mint a radaros objektumkövetés és a kis fogyasztású, nagysebességű kommunikációs kapcsolatok.

A Pennsylvaniai Egyetem logójáról készült különleges képForrás: Upenn

Az optikai rendszerekben, mint amilyen az okostelefonok kamerája is, a fényszenzor egy optikai lencse által alkotott képet érzékel. Az új közeli-mikrohullámú képalkotó ezzel szemben négy antenna segítségével érzékeli a tárgyakról visszaverődő mikrohullámú jeleket. Ezeket a jeleket aztán optikai szignállá alakítja, és ilyen formában dolgozza fel, mintha csak egyfajta mikrohullámú lencseként működne. A chip-alapú mikrohullámú képalkotó több mint 1000 fotonikai összetevőt – hullámterelőket, jelosztókat, fotodiódákat és ringmodulátorokat – tartalmaz. Egyik kulcsfontosságú összetevője a jelfeldolgozáshoz használt optikai késleltető hálózat, amely 280-nál több késleltetőcellából áll.

„Ez a rendszer lényegesen kisebb és hatékonyabb, mint az elektronikus megfelelője, mert a késleltetőcellák kevesebb mint tizedakkorák, miközben több mint tízszer hatékonyabbak – hangsúlyozta Farshid Ashtiani, az Aflatouni-csoport doktorandusz tagja és a cikk társszerzője. – Emellett számottevően rövidebb mikrohullámú impulzusokkal képesek működni, ami nagyobb képalkotó felbontást eredményez."

Áramkörök absztrakt illusztrációjaForrás: Getty Images/iStockphoto/Nolimit46

Az új chip képességeit tesztelendő a kutatók fém felszínű tárgyakról, többek között 24 cm oldalhosszúságú fémnégyzetekről és a Pennsylvaniai Egyetem fémből készült logójáról (lásd feljebb) készítettek vele felvételeket. A berendezés elé helyezett tárgyakat rövid mikrohullámú impulzusokkal „világították meg", a készülék négy antennája pedig felfogta a visszaverődő jeleket és a segítségükkel leképezte a tárgyakat. „Munkánkkal igazoltuk, hogy a szabványos félvezetőgyártási technológia alkalmas robusztus, számos összetevőből álló fotonikai rendszerek létrehozására – szögezte le Aflatouni. – Az általunk bemutatott parányi képalkotó chip előállítása könnyen felskálázható, ami lehetővé teszi az olcsó, kézben hordozható mikrohullámú kamerák ipari léptékű gyártását."

A chip-alapú mikrohullámú kamera bemutatása után a csoport most elsőként a képpontok számát szeretné növelni további késleltetőcellák hozzáadásával. Ehhez a gyártási technológiát kell továbbfejleszteniük. Szeretnének továbbá rövidebb mikrohullámú impulzusokat használni, hogy tovább növelhessék a képfelbontást.