O Laboratório de Engenharia de Materiais Ópticos da ETH Zurique (Instituto Federal de Tecnologia de Zurique) desenvolveu um novo elemento de imagem multifuncional chamado "pixel de Fourier", que pode realizar simultaneamente funções de emissão e medição de luz na mesma estrutura de pixel. A pesquisa foi conduzida pela equipe do Professor David J. Norris, e os resultados foram publicados na revista Nature sob o título "Fourier pixels for bidirectional light control". Ao contrário dos pixels convencionais, que apenas iluminam telas ou capturam luz, os pixels de Fourier combinam a geração e a análise de campos de luz em uma única microestrutura, permitindo o controle e a detecção da amplitude, fase e polarização da luz, fornecendo uma nova base para telas bidirecionais, displays holográficos, comunicação óptica e processamento de informações quânticas. O núcleo do pixel de Fourier não é registrar o brilho de um ponto específico na imagem, mas processar a frequência espacial da luz. Ele representa a lei de distribuição das ondas de luz no espaço, permitindo uma descrição mais completa do campo de luz.
Este logotipo colorido foi criado usando a tecnologia de pixels de Fourier desenvolvida por pesquisadores da ETH Zurique. A letra "E" tem apenas cerca de 1 milímetro de altura na câmera.
Os pixels de telas comuns são responsáveis principalmente por "emitir brilho", enquanto os pixels de sensores de câmera são responsáveis principalmente por "receber brilho". Essa divisão de trabalho sustenta a estrutura básica das telas de smartphones, televisores, câmeras e câmeras industriais atuais, mas a maioria deles lida apenas com informações de intensidade de luz, sendo difícil controlar e ler simultaneamente características de onda mais ricas, como fase e polarização da luz. Os pixels de Fourier mudam essa lógica. Eles guiam a propagação de ondas de superfície através de micro e nanoestruturas na superfície metálica, fazendo com que essas ondas se espalhem como ondas de luz em locais específicos. Após a interferência entre múltiplas ondas de luz, um padrão de campo de luz predefinido é gerado. Por outro lado, quando a luz externa incide sobre a mesma estrutura, o pixel também pode usar as informações de interferência para analisar o estado do campo de luz que entra no pixel.
A base de design desta tecnologia vem da análise de Fourier. A transformada de Fourier pode decompor formas de onda complexas em um conjunto de componentes de diferentes frequências. Ondas sonoras, imagens e campos de luz podem ser descritos de maneira semelhante. Os pixels de Fourier aplicam esse método matemático ao design de nanoestruturas ópticas: primeiro, determina-se o campo de luz a ser gerado ou detectado e, em seguida, deduz-se o perfil de ondulação que a superfície do pixel deve ter. Dessa forma, um único pixel não é mais apenas um "ponto brilhante" ou "ponto fotossensível", mas se torna um pequeno sistema óptico capaz de processar a estrutura das ondas de luz.
Em termos de implementação técnica, a equipe de pesquisa utilizou ondas de superfície de plasmon polariton em superfícies metálicas para controlar o campo de luz. Quando as ondas de superfície se propagam ao longo da superfície metálica, elas interagem com as microestruturas onduladas projetadas e se espalham no espaço em direções predefinidas. Desde que o perfil da superfície seja suficientemente preciso, o pixel pode gerar um campo de luz específico no modo de emissão; no modo de recepção, ele pode deduzir a amplitude, fase e polarização da luz a partir dos padrões de interferência causados pela luz incidente. Essa estrutura permite que "emitir luz" e "medir luz" não dependam mais de dois dispositivos completamente separados, mas realizem o controle bidirecional da luz na mesma plataforma de pixel.
Esse tipo de pixel pode primeiro mudar os limites entre telas e câmeras. Se futuros dispositivos de exibição adotarem uma matriz de pixels de Fourier, a tela poderá assumir simultaneamente funções de exibição e captura de imagem, formando um monitor de câmera bidirecional.
A tela bidirecional é apenas uma das aplicações. Os pixels de Fourier também podem fornecer um controle mais refinado do campo de luz para displays holográficos, pois a holografia requer controle não apenas do brilho, mas também das informações de fase. Sistemas de comunicação óptica também precisam de capacidades mais complexas de codificação e decodificação de campo de luz, especialmente em cenários de transmissão multicanal, alta densidade e baixo consumo de energia, onde amplitude, fase e polarização podem servir como portadores de informação. O processamento de informações quânticas exige um controle ainda mais rigoroso do estado dos fótons. Componentes ópticos miniaturizados, programáveis e bidirecionais, como os pixels de Fourier, podem oferecer novas direções de design para circuitos ópticos em chip, medição de estados quânticos e controle preciso de campos de luz.
Esta pesquisa ainda está em estágio inicial. Os pixels de Fourier atuais demonstram principalmente a capacidade de controle bidirecional do campo de luz no nível de um único pixel. Para que realmente entrem em telas de smartphones, câmeras de consumo ou dispositivos de exibição de grande área, ainda é necessário resolver problemas como a formação de matrizes de pixels, atualização dinâmica, consistência de fabricação, integração de sistemas e controle de custos. A equipe de Norris planeja, como próximo passo, colocar os pixels de Fourier em estruturas de matriz para construir monitores de câmera mais complexos. Se a validação da formação de matrizes for bem-sucedida, os pixels de Fourier passarão de unidades ópticas individuais para a fase de dispositivos escaláveis.
Para a indústria optoeletrônica, o significado dos pixels de Fourier reside em unificar exibição de imagens, captura de imagens e processamento de campo de luz no mesmo nível de hardware. No passado, monitores, câmeras, elementos holográficos, analisadores de polarização e moduladores de fase eram geralmente componentes separados, resultando em sistemas complexos, maior volume e altos requisitos de alinhamento. Se os pixels de Fourier puderem ser organizados em matrizes e fabricados de forma estável, os dispositivos futuros poderão realizar tarefas de exibição, captura de imagem, reconhecimento e comunicação óptica em um espaço menor. Isso também lembra a indústria de que a próxima geração de competição de pixels pode não girar apenas em torno de resolução, brilho e taxa de atualização; a capacidade de controle completo das informações do campo de luz pode se tornar uma nova direção tecnológica.
Os autores do artigo incluem 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 e David J. Norris. À medida que a exibição, a captura de imagens, a holografia, a comunicação óptica e a óptica quântica continuam a se fundir, os pixels de Fourier oferecem um caminho de "pixels de intensidade" para "pixels de campo de luz", abrindo novas direções experimentais para futuros monitores de câmera e sistemas ópticos em chip.