Для множества устройств было бы весьма привлекательно совместить возможности экрана и камеры в едином компоненте. Речь идёт об адаптивной оптике, анализаторах материалов, стереоскопических дисплеях, а также о компактных AR/VR-очках, где не требуется отдельная камера. На данный момент мы располагаем либо светочувствительным элементом в камере, либо светоизлучающим — в дисплее. К счастью, исследователи из Швейцарии разработали инновационный пиксель, который одновременно сочетает все эти характеристики.
Источник изображений: ETH Zurich
О своём достижении рассказали учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich). Они продемонстрировали новый тип оптического пикселя, способного функционировать в двух режимах: как компонент дисплея, генерирующий свет, и как датчик, анализирующий поступающее на него излучение. Этот элемент они назвали Fourier pixel — «пиксель Фурье».
В отличие от традиционных пикселей камер и экранов, которые обычно либо фиксируют яркость света, либо испускают его, новая структура позволяет управлять и измерять сразу несколько характеристик электромагнитной волны: амплитуду, фазу и поляризацию. Это не только прокладывает путь к устройствам, где камера и дисплей могут быть объединены на уровне одной и той же матрицы пикселей, но и даёт возможность извлекать из света огромное количество полезной информации.
Работа пикселя Фурье базируется на поверхностных плазмон-поляритонах — когерентных волнах, которые распространяются вдоль металлической поверхности. Вся магия процесса опирается на относительно простую математику преобразований Фурье. Благодаря этой математике можно заранее вычислить рельеф поверхности пикселя, по которому будут «перемещаться» электромагнитные волны плазмон-поляритонных взаимодействий. В зависимости от рельефа, электромагнитные волны будут вступать друг с другом в интерференцию, излучать или реагировать на падающий свет — и всё это строго в рамках допустимых параметров. Более того, рельеф может выступать в роли своеобразного вычислителя, выполняя над волнами определённые математические операции просто благодаря естественным физическим процессам поведения волн.
В общем случае свет, попадающий на пиксель Фурье, сначала активирует поверхностную волну, которая затем достигает специально созданного «элемента Фурье» — микроструктуры с волнообразным профилем, разработанной с использованием методов фурье-анализа. Эта структура преобразует поверхностную волну обратно в свободное пространство, но уже с нужным распределением амплитуды и фазы. Фактически, форма поверхности выступает в роли миниатюрного дифракционного процессора: требуемый оптический фронт вычисляется через обратное преобразование Фурье. Сам рельеф заранее изготавливается на пикселе с нанометровой точностью, что на сегодняшний день не представляет никаких трудностей.
Пиксели Фурье благодаря своим физическим свойствам способны анализировать все компоненты света, включая поляризацию (они просто реагируют на неё заранее заданным образом), амплитуду и фазу. Кроме того, они могут излучать свет с учётом этих параметров, причём с определённой длиной волны — нужным цветом. Такие возможности, к примеру, позволяют формировать свет в виде пончика с отверстием в центре, просто регулируя фазу и поляризацию излучаемого света.
Матрицы из пикселей Фурье смогут одновременно отображать цветное изображение и анализировать материалы по рассеиваемому ими свету, создавать трёхмерные изображения в пространстве, как на голографических дисплеях из «Звёздных войн», адаптировать фокусное расстояние микроскопов и телескопов в зависимости от наблюдаемых объектов, а также компенсировать атмосферную турбулентность. Наконец, такие возможности были бы востребованы в телекоммуникациях, а также в оптических и квантовых вычислениях.
