Для ряда современных технологий объединение функций дисплея и камеры в едином компоненте является «святым граалем». Это позволило бы создавать адаптивную оптику, точные анализаторы материалов, полноценные стереоскопические дисплеи и компактные AR/VR-очки, не нуждающиеся в дополнительных сенсорах. До сих пор мы были ограничены либо светочувствительными пикселями в матрицах камер, либо светоизлучающими элементами в экранах. Однако исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) представили инновационный тип пикселя, который обладает обоими свойствами сразу.
Разработчики назвали свое изобретение «пикселем Фурье» (Fourier pixel). Этот оптический элемент способен работать в двух направлениях: как пиксель дисплея, формирующий свет, и как сенсор, анализирующий падающее на него излучение.
В отличие от традиционных технологий, которые либо регистрируют интенсивность фотонов, либо излучают их, новая структура способна управлять несколькими параметрами электромагнитной волны одновременно: амплитудой, фазой и поляризацией. Это открывает путь к созданию устройств, где функции захвата изображения и вывода картинки реализованы на одном и том же массиве пикселей.
Как работает пиксель Фурье
В основе принципа действия лежат поверхностные плазмон-поляритоны — когерентные волны, распространяющиеся вдоль поверхности металла. Вся «магия» процесса опирается на математику преобразований Фурье. Учёные рассчитывают рельеф поверхности пикселя таким образом, чтобы по нему определенным образом «прокатывались» эти волны. Исходя из геометрии рельефа, электромагнитные волны вступают во взаимодействие (интерферируют), либо излучая свет, либо реагируя на входящий поток.
По сути, физический рельеф поверхности пикселя выступает в роли встроенного вычислителя. Когда свет падает на структуру, он возбуждает поверхностную волну, которая достигает микроструктуры с волнообразным профилем. Эта структура рассеивает волну обратно в пространство с уже заданными характеристиками амплитуды и фазы. Необходимый оптический фронт рассчитывается методом обратного преобразования Фурье, а затем наносится на пиксель с нанометровой точностью.
Потенциал применения
Благодаря способности анализировать и генерировать свет с заданными фазой, амплитудой и поляризацией, такие пиксели открывают новые горизонты:
- Голографические дисплеи: создание объемных изображений, подобных тем, что мы видим в научной фантастике.
- Компьютерное зрение: матрицы из пикселей Фурье смогут одновременно отображать картинку и анализировать свойства материалов по отраженному свету.
- Научное оборудование: автоматическая адаптация фокуса микроскопов и телескопов, а также компенсация атмосферной турбулентности.
- Телекоммуникации: новые методы обработки сигналов в оптических и квантовых вычислениях.
Такой пиксель, например, позволяет формировать пучки света сложной формы, такие как «световой пончик» с пустотой в центре, просто управляя фазой излучения. Разработка ETH Zurich может стать фундаментом для следующего поколения интерактивных дисплеев, которые буквально научатся «видеть» окружающий мир.
