Що винайшли і як це працює?
Звичайні пікселі в наших екранах працюють лише в одному напрямку: вони або керують світлом (як дисплей), або аналізують його (як сенсор камери). Проте дослідники з ETH Zurich розробили унікальний "Фур'є-піксель" (Fourier pixel), який поєднує обидві ролі. Результати їхньої роботи описує видання Popular Science.
Дивіться також Найвеличніше кіно в історії: обсерваторія Віри Рубін почала 10-річне дослідження Всесвіту
В основі технології лежить фундаментальний фізичний принцип – інтерференція світлових хвиль. Щоб приборкати це явище, вчені вирізали на чипі крихітні хвилеподібні рельєфи. Цей мікрорельєф діє як мініатюрний дифракційний процесор, що дозволяє здійснювати математичні операції над світлом безпосередньо на апаратному рівні.
Кожен такий піксель перетворює світло на поверхневу хвилю (поверхневий плазмон-поляритон), яка поширюється вздовж металевої поверхні чипа. Потім в іншій точці пікселя ця хвиля розсіюється назад, створюючи кольорове зображення.
Свою назву винахід отримав завдяки математичному методу – Фур'є-аналізу, який дозволяє розкласти складні хвилі на прості складові.
Що це дає на практиці? На відміну від класичних пікселів, які фіксують лише інтенсивність світла, Фур'є-піксель забезпечує повний двонаправлений контроль одразу трьох параметрів електромагнітної хвилі:
- амплітуди;
- фази коливань;
- поляризації.
Завдяки цьому система може навіть генерувати світлові пучки складної форми – наприклад, у вигляді пончика з діркою посередині.
Оскільки профілі поверхні пікселів можна визначити за допомогою Фур'є-аналізу, ми можемо поєднати контроль і аналіз амплітуди, фази та поляризації в одному пікселі,
– пояснює співавтор дослідження, постдокторант ETH Zurich Сандер Фонк.
Дослідження очолив оптичний фізик, професор матеріалознавства Девід Норріс. Разом із ним над проєктом працювали докторант у галузі оптики Яннік Глаузер та Сандер Фонк.
Величезні перспективи: де застосовуватимуть нову технологію
Наші нові пікселі для контролю та аналізу можуть стати корисним інструментом у багатьох сферах,
– зазначає професор Девід Норріс.
Зараз автори розробки прагнуть створити повноцінну матрицю з Фур'є-пікселів. У найближчій перспективі це дозволить випускати екрани-камери. Наприклад, дисплей вашого ноутбука чи смартфона зможе сканувати обличчя або робити фотографії без жодних вирізів чи вбудованих під екран об'єктивів.
Загалом технологія має величезний спектр застосування:
- Голографічні системи та AR/VR: створення реалістичних 3D-голограм та ультракомпактних окулярів доповненої реальності без громіздких зовнішніх камер.
- Адаптивна оптика: автоматичне фокусування мікроскопів і телескопів, а також компенсація атмосферних спотворень.
- Телекомунікації та обчислення: розробка оптичних і квантових комп'ютерів, а також систем зв'язку, які самостійно коригують сигнал залежно від умов середовища.
У довгостроковій перспективі Фур'є-пікселі зможуть не просто фіксувати зображення, а й обробляти його на апаратному рівні завдяки природним процесам інтерференції. Це дозволить створювати надзвичайно енергоефективні пристрої, які обробляють візуальні дані взагалі без участі центрального процесора.