En gruppe forskere fraETH Zürich har utviklet en ny teknologi som kan representere et viktig skritt mot å overvinne grensene for piksler, Fourier-piksler, toveis. Piksler er de grunnleggende elementene i hvert digitalt bilde, men ikke alle utfører samme funksjon. De som utgjør skjermene til smarttelefoner, datamaskiner og TV-er de tjener til å generere bildene vi sermens de som er tilstede i kamerasensorer gjør det motsatte, dvs de fanger opp lyset som kommer fra omgivelsene og transformerer det til digital informasjoni, ved å utnytte samspillet mellom lys og materie, et fysisk fenomen også knyttet til den fotoelektriske effekten. I flere tiår har disse to funksjonene holdt seg adskilte, så mye at skjermer og kameraer er utformet som separate komponenter.
Resultatet av deres forskere er Fourierpiksleren bestemt type piksel som både kan vise bilder og analysere innkommende lys. Det samme elementet kan med andre ord samtidig utføre rollen som display og optisk sensor, en funksjon som kan åpne for nye perspektiver innen anvendt optikk.
Forskningen handler ikke om en ny skjerm klar til å komme på markedet eller et kamera som skal integreres i neste generasjons enheter. I stedet er det en eksperimentell demonstrasjon som viser hvordan det er mulig å designe en piksel med mye bredere muligheter enn tradisjonelle komponenter. Med videreutvikling kan Fourier-pikselen finne applikasjoner i områder som spenner fra neste generasjons skjermer og bildesystemer til enheter med utvidet virkelighet og optisk kommunikasjon.
Hvordan den nye Fourier-pikselen fra ETH Zürich fungerer
Driften av Fourier-pikselen er basert pålys interferenset fysisk fenomen som oppstår når to eller flere lysbølger overlapper hverandre. Den samme mekanismen er også grunnlaget for teknologier som hologrammer. Avhengig av hvordan de kombineres, kan bølgene forsterkes eller delvis oppheve, og gi opphav til veldefinerte lysmønstre. Det er et fenomen studert i over et århundre innen optikk og i dag brukt i ulike avanserte teknologier.
For å utnytte dette skapte forskerne bittesmå strukturer med dimensjoner i størrelsesorden nanometer på overflaten av enheten. Når en lysstråle passerer gjennom dem, transformerer disse strukturene en del av den innfallende strålingen til overflatebølger som forplanter seg langs materialet. Deretter konverteres disse bølgene på nytt og, som forstyrrer hverandre, genererer lysmønstre som kan kontrolleres med ekstrem presisjon.
Hva gjør denne nye typen optiske element annerledes
Navnet Fourier-piksel kommer fraFourieranalyseet matematisk verktøy som brukes til å beskrive oppførselen til bølger. Takket være denne tilnærmingen er det mulig å designe geometrien til nanostrukturer for at pikselen skal produsere en viss optisk respons. Den samme arkitekturen er imidlertid ikke begrenset til å kontrollere utgangssignalet, men er også i stand til å hente informasjon fra det som kommer utenfra.
I praksis oppdager enheten ikke bare tilstedeværelsen av lys, men analyserer også noen av dens fysiske egenskaper. Dette betyr at det samme elementet både kan produsere en viss optisk effekt og tolke det mottatte signalet, en funksjon som mangler i konvensjonelle piksler. Ifølge forfatterne av studien kan den faktisk håndtere parametere som f.eks fase og den polariseringinformasjon som er spesielt nyttig i en rekke vitenskapelige og teknologiske anvendelser.
Det er nettopp denne doble evnen som skiller Fourier-pikselen fra tradisjonelle komponenter: mens de til en skjerm ganske enkelt sender ut eller modulerer lys og de til en fotografisk sensor utelukkende handler om å oppdage det, integrerer den nye enheten begge funksjonene i samme element.
Hvilke applikasjoner kan denne teknologien ha?
Integrering av flere optiske funksjoner i samme komponent åpner for interessante scenarier, selv om de ennå ikke skal utforskes. Ifølge forskerne kan Fourier-pikselen bidra til utviklingen av mer kompakte optiske enheter, og redusere antallet elementer som trengs for å utføre operasjoner som i dag krever separate systemer.
Antatte applikasjoner inkluderer smarte skjermeri stand til ikke bare å vise bilder, men også til å samle inn data om omgivelsene, og nye bildesystemer som er i stand til å analysere egenskapene til lys med større presisjon. Denne arkitekturen kan også være nyttig i databehandlingsenheter utvidet virkelighet og den blandet virkelighetder tilgjengelig plass er begrenset og integrering av flere funksjoner i samme element representerer en viktig fordel.
Et annet mulig bruksområde gjelder optisk kommunikasjon. Siden Fourier-pikselen er designet for å manipulere og oppdage lysets egenskaper, kan den i fremtiden også brukes i systemer som overfører informasjon gjennom lyssignaler. Dette er imidlertid utviklinger som vil kreve ytterligere studier før de kan transformeres til konkrete anvendelser.
Fordi denne teknologien ikke kommer på smarttelefoner og skjermer umiddelbart
Selv om resultatet oppnådd av forskerne er lovende, er Fourier-pikselen fortsatt en prototype utviklet i laboratoriet. Studien fremhever gjennomførbarheten av konseptet, men det betyr ikke at denne løsningen er klar til å brukes i forbrukerprodukter.
En av de viktigste hindringene gjelder kompleksiteten i implementeringen. De bittesmå strukturene som lar pikselen kontrollere og analysere lys, må fremstilles ved hjelp av teknikker nanofabrikasjon ekstremt presis, veldig forskjellig fra de som brukes til å produsere vanlige skjermer for smarttelefoner og skjermer.
Selv forholdene som prototypen ble testet under er langt fra forholdene til en elektronisk enhet som brukes i hverdagen. Eksperimentene ble utført i et kontrollert miljø og med et optisk oppsett spesielt designet for å demonstrere hvordan teknologien fungerer. Før det kan transformeres til en kommersiell komponent vil det derfor være nødvendig å overvinne en rekke tekniske utfordringer, fra miniatyrisering av systemet til storskala produksjon.
For øyeblikket representerer derfor Fourier-pikselen fremfor alt en demonstrasjon av potensialet som tilbys av optisk konstruksjon. Ytterligere forskning vil være nødvendig for å forstå om denne løsningen kan tas i bruk i dagligdagse enheter, men resultatet oppnådd til dags dato viser at selve konseptet med piksler kan utvikle seg, og baner vei for mer allsidige optiske enheter som er i stand til å utføre funksjoner som tidligere ble ansett som separate.
