Лаборатория оптического материаловедения Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) разработала новый многофункциональный элемент изображения — «фурье-пиксель», который одновременно реализует функции излучения и измерения света в одной пиксельной структуре. Исследование выполнено под руководством профессора Дэвида Дж. Норриса, а соответствующие результаты опубликованы в журнале Nature под названием «Fourier pixels for bidirectional light control». В отличие от обычных пикселей, которые либо только подсвечивают экран, либо только улавливают свет, фурье-пиксели объединяют генерацию и анализ светового поля в одной микро-наноструктуре, позволяя контролировать и измерять амплитуду, фазу и поляризацию света. Это создает новую элементную базу для двусторонних экранов, голографических дисплеев, оптической связи и квантовой обработки информации. Суть фурье-пикселя заключается не в регистрации яркости точки изображения, а в обработке пространственной частоты света. Он отражает закономерности распределения световой волны в пространстве, что позволяет более полно описывать световое поле.
Этот цветной знак создан с помощью технологии фурье-пикселей, разработанной исследователями Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Высота буквы «E» на камере составляет всего около 1 мм.
Обычные пиксели дисплея в основном отвечают за «излучение яркости», а пиксели сенсора камеры — за «прием яркости». Такое разделение функций лежит в основе современной структуры экранов смартфонов, телевизоров, камер и промышленных камер, однако большинство из них обрабатывают только информацию об интенсивности света и не могут одновременно контролировать и считывать более богатые волновые характеристики, такие как фаза и поляризация. Фурье-пиксели меняют эту логику. Они направляют распространение поверхностных волн с помощью микро-нанорельефа на металлической поверхности, заставляя эти волны рассеиваться в световые волны в определенных точках. После интерференции нескольких световых волн формируется заданный рисунок светового поля. В обратном направлении, когда внешний свет попадает на ту же структуру, пиксель также может использовать информацию об интерференции для анализа состояния светового поля, проникающего в пиксель.
Техническая основа этой разработки — фурье-анализ. Преобразование Фурье позволяет разложить сложную волну на набор компонентов различных частот; звуковые волны, изображения и световые поля могут быть описаны аналогичным образом. Фурье-пиксели применяют этот математический метод к проектированию микро-нанооптических структур: сначала определяется световое поле, которое необходимо создать или обнаружить, а затем выводится волновой профиль, который должна иметь поверхность пикселя. Таким образом, отдельный пиксель перестает быть просто «яркой точкой» или «светочувствительной точкой», а превращается в миниатюрную оптическую систему, способную обрабатывать структуру световой волны.
С технической точки зрения, исследовательская группа использует плазмонные поверхностные волны на металлической поверхности для управления световым полем. При распространении вдоль металлической поверхности поверхностные волны взаимодействуют с спроектированными волнистыми микроструктурами и рассеиваются в пространство в заданном направлении. При достаточной точности поверхностного рельефа пиксель может генерировать определенное световое поле в режиме излучения; в режиме приема он, наоборот, может выводить амплитуду, фазу и поляризацию света из интерференционной картины, вызванной падающим светом. Эта структура позволяет «излучению света» и «измерению света» больше не зависеть от двух полностью раздельных устройств, а реализовать двустороннее управление светом на одной пиксельной платформе.
Такие пиксели в первую очередь могут изменить границы между экранами и камерами. Если будущие дисплейные устройства будут использовать матрицу фурье-пикселей, экран сможет одновременно выполнять функции отображения и формирования изображения, создавая двусторонний камеро-дисплей.
Двусторонние экраны — лишь одно из применений. Фурье-пиксели также могут обеспечить более тонкое управление световым полем для голографических дисплеев, поскольку голографическое отображение требует контроля не только яркости, но и фазовой информации. Системы оптической связи также нуждаются в более сложных возможностях кодирования и декодирования светового поля, особенно в сценариях многоканальной, высокоплотной и энергоэффективной передачи, где амплитуда, фаза и поляризация могут служить носителями информации. Квантовая обработка информации предъявляет еще более высокие требования к контролю состояния фотонов. Миниатюрные, программируемые и двусторонние оптические элементы, такие как фурье-пиксели, могут открыть новые направления проектирования для интегральных оптических схем, измерения квантовых состояний и прецизионного управления световым полем.
Данное исследование все еще находится на ранней стадии. На данный момент фурье-пиксели в основном демонстрируют способность к двустороннему управлению световым полем на уровне отдельного пикселя. Для реального внедрения в экраны смартфонов, потребительские камеры или крупноформатные дисплейные устройства необходимо решить вопросы пиксельной матричной организации, динамического обновления, технологической воспроизводимости, системной интеграции и контроля стоимости. Команда Норриса планирует на следующем этапе разместить фурье-пиксели в матричной структуре для создания более сложных камеро-дисплеев. Если матричная верификация пройдет успешно, фурье-пиксели перейдут от единичного оптического элемента к стадии масштабируемого устройства.
Для оптоэлектронной промышленности значение фурье-пикселей заключается в объединении отображения изображений, их захвата и обработки светового поля на одном аппаратном уровне. Раньше дисплеи, камеры, голографические элементы, анализаторы поляризации и фазовые модуляторы были, как правило, отдельными компонентами, что приводило к сложности системы, увеличению габаритов и высоким требованиям к юстировке. Если фурье-пиксели удастся организовать в матрицу и обеспечить стабильное производство, будущие устройства смогут выполнять задачи отображения, формирования изображений, распознавания и оптической связи в меньшем пространстве. Это также напоминает промышленности, что следующая конкуренция пикселей может вращаться не только вокруг разрешения, яркости и частоты обновления, но и вокруг способности к полному контролю информации о световом поле, что может стать новым технологическим направлением.
В число авторов статьи входят Янник М. Глаузер, Сандер Дж. В. Вонк, Дэвид Б. Седа, Ханна Низе, Борис де Йонг, Матье Ф. Бидо, Даниэль Петтер, Эрван Боссави, Габриэль Нагамин, Нолан Лассалин и Дэвид Дж. Норрис. По мере продолжения конвергенции дисплеев, камер, голографии, оптической связи и квантовой оптики, фурье-пиксели предлагают путь от «пикселя интенсивности» к «пикселю светового поля», открывая новые экспериментальные направления для будущих камеро-дисплеев и интегральных оптических систем на чипе.