Физики научили пиксель смотреть в обе стороны

Пиксель больше не обязан выбирать между экраном и камерой. Команда ETH Zurich разработала элемент изображения, который управляет светом и одновременно анализирует световое поле. Привычные дисплеи используют пиксели для формирования картинки, а камеры регистрируют через пиксели падающий свет; новая работа впервые объединяет обе роли в одной области чипа.

Исследование группы профессора Дэвида Норриса из Лаборатории оптических материалов ETH Zurich опубликовано в Nature, а университет отдельно рассказал о возможных применениях разработки. Сам термин picture element впервые появился в 1927 году в американском технологическом журнале Wireless World, а затем сократился до привычного pixel. Почти век спустя исследователи предложили пиксель, который не просто светится или принимает свет, а работает в обе стороны.

Новый элемент получил название «пиксель Фурье». В основе лежит интерференция световых волн. Когда свет рассеивается на поверхности, волны из разных точек накладываются друг на друга: при совпадении фаз усиливаются, при противоположных фазах гасят друг друга. Форма поверхности задаёт, как волны будут распространяться дальше, поэтому рельеф пикселя можно использовать для точного управления светом.

Для такой работы учёные применяют волнообразные поверхности, обработанные с точностью до нескольких нанометров. Внутри пикселя входящий свет сначала превращается в поверхностную волну, или поверхностный плазмон-поляритон, которая распространяется вдоль чипа. В другой зоне пикселя поверхностная волна снова рассеивается наружу как световая волна. За счёт интерференции появляются заданные узоры и изображения.

Преобразование Фурье помогает рассчитать, какой профиль поверхности нужен для нужной картинки. В отличие от обычного пикселя, который задаёт яркость в конкретной точке, пиксель Фурье работает с пространственными частотами света. Такой подход позволяет создавать и анализировать не только интенсивность, но и фазу, поляризацию и амплитуду светового поля.

Докторант Yannik Glauser пояснил, что пиксели Фурье могут управлять поляризацией света, то есть направлением колебаний электрического поля световой волны. Исследователи также научились задавать фазу и формировать, например, лучи с пустой областью в центре, напоминающие световое кольцо. Метод работает с разными длинами волн, поэтому технология подходит и для создания цветных изображений.

Схема работает и в обратном направлении. Постдок Sander Vonk отметил, что интерференцию и анализ Фурье можно использовать для изучения входящего света. Если наложить световую волну на опорную волну прямо на пикселе, камера фиксирует интерференционную картину, а по полученному рисунку исследователи рассчитывают фазу и поляризацию света.

В перспективе двунаправленные пиксели могут лечь в основу камер-дисплеев, голографических экранов, систем оптической связи и устройств для обработки квантовой информации. Норрис также допускает, что поверхностные волны смогут выполнять вычисления прямо в материале пикселя: устройство будет реагировать на захваченное изображение и создавать ответные световые узоры без отдельной обработки на компьютере.

Ближайшая цель команды ETH Zurich связана с созданием матрицы из множества пикселей Фурье. Такая матрица позволит собрать более сложные устройства, которые будут работать как камера и дисплей одновременно. Разработка уже привела к патентной заявке, номинированной на Spark Award.