Das Labor für optische Materialtechnik der ETH Zürich hat eine neuartige multifunktionale Bildeinheit namens „Fourier-Pixel“ entwickelt, die in derselben Pixelstruktur gleichzeitig Licht emittieren und messen kann. Die Forschung wurde vom Team um Professor David J. Norris durchgeführt und die Ergebnisse unter dem Titel „Fourier pixels for bidirectional light control“ in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Im Gegensatz zu herkömmlichen Pixeln, die entweder nur einen Bildschirm beleuchten oder nur Licht einfangen können, vereinen Fourier-Pixel die Erzeugung und Analyse von Lichtfeldern in einer Mikro-Nano-Struktur. Sie ermöglichen die Steuerung und Erfassung von Amplitude, Phase und Polarisation des Lichts und bieten damit eine neue Gerätegrundlage für bidirektionale Bildschirme, holografische Displays, optische Kommunikation und Quanteninformationsverarbeitung. Der Kern der Fourier-Pixel besteht nicht darin, die Helligkeit eines Punktes im Bild aufzuzeichnen, sondern die räumliche Frequenz des Lichts zu verarbeiten. Sie repräsentieren die Verteilungsgesetze von Lichtwellen im Raum und können daher das Lichtfeld vollständiger beschreiben.
Dieses farbige Logo wurde mit der von Forschern der ETH Zürich entwickelten Fourier-Pixel-Technologie erstellt. Der Buchstabe „E“ ist auf der Kamera nur etwa 1 Millimeter hoch.
Herkömmliche Display-Pixel sind hauptsächlich für die „Abgabe von Helligkeit“ zuständig, während Kamerasensor-Pixel hauptsächlich für die „Aufnahme von Helligkeit“ verantwortlich sind. Diese Arbeitsteilung bildet die Grundlage für aktuelle Handybildschirme, Fernseher, Kameras und Industriekameras. Die meisten von ihnen verarbeiten jedoch nur Lichtintensitätsinformationen und können die reichhaltigeren Welleneigenschaften wie Phase und Polarisation des Lichts nur schwer gleichzeitig steuern und auslesen. Fourier-Pixel ändern diese Logik. Sie leiten Oberflächenwellen über Mikro-Nano-Konturen auf einer Metalloberfläche, lassen diese Wellen an bestimmten Stellen zu Lichtwellen streuen und erzeugen durch Interferenz mehrerer Lichtwellen vorgegebene Lichtfeldmuster. Umgekehrt kann das Pixel, wenn externes Licht auf dieselbe Struktur trifft, mithilfe der Interferenzinformationen den Zustand des in das Pixel eintretenden Lichtfelds analysieren.
Die Designgrundlage dieser Technologie ist die Fourier-Analyse. Die Fourier-Transformation kann komplexe Wellenformen in eine Reihe von Frequenzkomponenten zerlegen; Schallwellen, Bilder und Lichtfelder können auf ähnliche Weise beschrieben werden. Fourier-Pixel wenden diese mathematische Methode auf das Design mikro-nanooptischer Strukturen an: Zuerst wird das zu erzeugende oder zu erfassende Lichtfeld bestimmt, dann wird die Wellenkontur der Pixeloberfläche rückwärts berechnet. Auf diese Weise wird ein einzelnes Pixel nicht mehr nur ein „heller Punkt“ oder „Lichtsensor“, sondern ein kleines optisches System, das die Struktur von Lichtwellen verarbeiten kann.
Technisch gesehen nutzt das Forschungsteam plasmonische Oberflächenwellen auf Metalloberflächen zur Lichtfeldsteuerung. Wenn sich die Oberflächenwelle entlang der Metalloberfläche ausbreitet, interagiert sie mit den entworfenen wellenförmigen Mikrostrukturen und wird in vorgegebenen Richtungen in den Raum gestreut. Solange die Oberflächenkontur präzise genug ist, kann das Pixel im Emissionsmodus ein bestimmtes Lichtfeld erzeugen; im Empfangsmodus kann es aus den durch das einfallende Licht verursachten Interferenzmustern die Amplitude, Phase und Polarisation des Lichts ableiten. Diese Struktur ermöglicht es, dass „Lichtemission“ und „Lichtmessung“ nicht mehr auf zwei vollständig getrennten Bauteilen beruhen, sondern auf derselben Pixelplattform eine bidirektionale Lichtsteuerung erfolgt.
Diese Art von Pixel könnte zunächst die Grenzen zwischen Bildschirmen und Kameras verschieben. Zukünftige Anzeigegeräte, die eine Fourier-Pixel-Matrix verwenden, könnten gleichzeitig Anzeige- und Bildgebungsfunktionen übernehmen und so einen bidirektional arbeitenden Kamera-Bildschirm bilden.
Bidirektionale Bildschirme sind nur eine der Anwendungen. Fourier-Pixel könnten auch eine feinere Lichtfeldsteuerung für holografische Displays ermöglichen, da diese nicht nur die Helligkeit, sondern auch die Phaseninformation steuern müssen. Auch optische Kommunikationssysteme benötigen komplexere Fähigkeiten zur Lichtfeldcodierung und -decodierung, insbesondere in Szenarien mit mehreren Kanälen, hoher Dichte und geringem Energieverbrauch, wo Amplitude, Phase und Polarisation als Informationsträger dienen können. Die Quanteninformationsverarbeitung stellt noch höhere Anforderungen an die Zustandssteuerung von Photonen. Miniaturisierte, programmierbare und bidirektional arbeitende optische Komponenten wie die Fourier-Pixel könnten neue Designrichtungen für integrierte optische Schaltungen, Quantenzustandsmessungen und präzise Lichtfeldmanipulation eröffnen.
Diese Forschung befindet sich noch in einem frühen Stadium. Die derzeitigen Fourier-Pixel haben hauptsächlich die Fähigkeit zur bidirektionalen Lichtfeldsteuerung auf einzelner Pixelebene demonstriert. Bevor sie in Handybildschirme, Unterhaltungselektronik-Kameras oder großflächige Anzeigegeräte Einzug halten können, müssen noch Probleme wie die Pixel-Array-Bildung, dynamische Aktualisierung, Fertigungskonsistenz, Systemintegration und Kostenkontrolle gelöst werden. Das Team um Norris plant als nächstes, die Fourier-Pixel in eine Matrixstruktur zu integrieren, um komplexere Kamera-Bildschirme aufzubauen. Wenn die Array-Bildung erfolgreich verläuft, werden die Fourier-Pixel von einer einzelnen optischen Einheit zu einer skalierbaren Bauelementstufe übergehen.
Für die optoelektronische Industrie liegt die Bedeutung der Fourier-Pixel darin, Bildanzeige, Bildaufnahme und Lichtfeldverarbeitung auf dieselbe Hardwareebene zu bringen. Bisher waren Displays, Kameras, holografische Elemente, Polarisationsanalysatoren und Phasenmodulatoren meist separate Komponenten, was zu komplexen Systemen, größerem Volumen und hohen Ausrichtungsanforderungen führte. Wenn Fourier-Pixel in Arrays realisiert und stabil hergestellt werden können, könnten zukünftige Geräte Aufgaben wie Anzeige, Bildgebung, Erkennung und optische Kommunikation auf kleinerem Raum erledigen. Es erinnert die Industrie auch daran, dass der Wettbewerb um die nächste Pixelgeneration nicht unbedingt nur um Auflösung, Helligkeit und Bildwiederholrate kreisen muss; die vollständige Kontrollfähigkeit über Lichtfeldinformationen könnte eine neue technologische Richtung werden.
Zu den Autoren der Arbeit gehören Yannik M. Glauser, Sander J. W. Vonk, David B. Seda, Hannah Niese, Boris de Jong, Matthieu F. Bidaut, Daniel Petter, Erwan Bossavit, Gabriel Nagamine, Nolan Lassaline und David J. Norris. Mit der fortschreitenden Konvergenz von Display-, Kamera-, Holografie-, optischer Kommunikations- und Quantenoptik bieten Fourier-Pixel einen Weg vom „Intensitätspixel“ zum „Lichtfeldpixel“ und eröffnen neue experimentelle Richtungen für zukünftige Kamera-Bildschirme und integrierte optische Systeme.