Разработка открывает путь к устройствам, которые могут выполнять функции как камеры, так и дисплея
В 1927 году в американском технологическом журнале Wireless World впервые появился термин «элемент изображения», позже сократившийся до «пиксель». Сегодня пиксели повсюду: они есть и на экранах компьютеров, и в телевизорах, где создают красочные изображения, и в камерах, где они фиксируют изображения. Но в любом случае они выполняют одну из двух функций: либо управляют светом, как в случае с дисплеем, либо анализируют его, как в сенсоре камеры. До сих пор не существовало пикселей, которые могли бы делать и то, и другое.
Исследовательская группа под руководством Дэвида Норриса, профессора Лаборатории разработки оптических материалов в Швейцарской высшей технической школе Цюриха, впервые создала такие пиксели. Эти пиксели могут как направлять свет, так и анализировать его. Можно контролировать и анализировать не только интенсивность света, но и фазу его колебаний и поляризацию. В будущем такие двунаправленные пиксели могут привести, например, к созданию дисплеев-камер, которые объединят две функции в одном устройстве.
Исследование, опубликованное в журнале Nature, основано на фундаментальном физическом эффекте — так называемой интерференции световых волн. Когда свет рассеивается на поверхности, волны, исходящие из разных точек поверхности, накладываются друг на друга. Форма поверхности определяет фазы колебаний, с которыми волны распространяются дальше. Если фазы совпадают, световые волны усиливают друг друга, а если они противоположны, то волны гасят друг друга.
Ученые использовали этот эффект для точного управления светом с помощью волнообразных скульптурных поверхностей. Они разработали этот метод обработки, точность которого составляет несколько нанометров, еще несколько лет назад. Для управления пиксель — то есть область на чипе, где был обработан материал, — сначала преобразует входящий свет в поверхностную волну (так называемый поверхностный плазмон-поляритон), которая распространяется вдоль поверхности чипа.
В другой части пикселя поверхностная волна рассеивается и выходит из материала в виде световой волны. Благодаря интерференции световых волн можно создавать узоры и изображения. Используя математический анализ Фурье, исследователи могут рассчитать, как будут выглядеть эти изображения и какой поверхностный узор нужен для конкретного изображения.
«Помимо интенсивности света, то есть светлых и темных участков, из которых создаются изображения, фурье-пиксели могут управлять и другими свойствами световых волн, например их поляризацией. Поляризация указывает направление колебаний электрического поля световой волны. Чтобы генерировать свет с произвольным направлением поляризации, они используют поверхностные волны с разной поляризацией, которые накладываются на фурье-пиксель. Поляризация рассеянного света зависит от формы поверхности пикселя.
Они также могут точно контролировать фазу колебаний и таким образом, например, создавать световые лучи с отверстием посередине — световые лучи в форме пончика. Все это работает даже со светом разной длины волны, так что можно создавать и цветные изображения.
Благодаря тому, что соответствующие поверхностные профили пикселей можно определить с помощью анализа Фурье, можно объединить контроль и анализ амплитуды, фазы и поляризации в одном пикселе.
Поскольку поверхностные волны можно использовать для выполнения математических вычислений непосредственно на материале пикселей, вполне возможно, что пиксели Норриса смогут реагировать на полученное изображение и, без участия компьютера, создавать соответствующие световые узоры. По мнению исследователей, более краткосрочная цель — распространить этот метод на матрицу, состоящую из множества пикселей Фурье. Такую матрицу можно использовать для создания более сложных устройств с камерой и дисплеем, которые, как и обычные камеры или дисплеи, состоят из множества пикселей.