Is het een camera of een display?

Onderzoekers van de ETH Zürich hebben pixels ontwikkeld die niet alleen beelden kunnen genereren, maar ze ook kunnen analyseren. Dit zou de toekomstige productie van apparaten mogelijk kunnen maken die tegelijkertijd als camera en beeldscherm functioneren.

De term ‘picture element’ (beeldelement), later afgekort tot pixel, verscheen voor het eerst in 1927 in het Amerikaanse technologiemagazine Wireless World in verband met vroege televisietechnologie. Pixels zijn tegenwoordig alomtegenwoordig: in computerschermen en televisies, waar ze kleurrijke beelden genereren, en ook in camera’s, waar ze beelden vastleggen.

Ze doen altijd het een óf het ander: ze sturen licht aan, zoals in het geval van een scherm, óf ze analyseren het, zoals in een camerasensor. Pixels die beide kunnen, bestonden tot nu toe niet.

Een onderzoeksteam onder leiding van David Norris, hoogleraar Optische Materiaaltechniek van de ETH Zürich, heeft nu voor het eerst pixels ontwikkeld die zowel licht kunnen aansturen als analyseren. Niet alleen de intensiteit van het licht, maar ook de oscillatiefase en polarisatie ervan kunnen worden aangestuurd en geanalyseerd.

In de toekomst zouden dergelijke zogenaamde bidirectionele pixels bijvoorbeeld kunnen leiden tot cameradisplays die beide functies in één apparaat combineren.

Patronen en beelden van gesuperponeerde lichtgolven

De resultaten, zojuist gepubliceerd in het tijdschrift Nature, zijn gebaseerd op de interferentie van lichtgolven. Wanneer licht door een oppervlak wordt verstrooid, overlappen de golven die van verschillende punten op het oppervlak afkomstig zijn. De vorm van het oppervlak bepaalt vervolgens de fase waarin de golven zich voortplanten. Als de fasen gelijk zijn, versterken de lichtgolven elkaar; als ze tegengesteld zijn, heffen ze elkaar op.

Norris en zijn collega’s gebruiken dit effect om licht nauwkeurig te controleren met een golfvormig oppervlak van een materiaal. Ze ontwikkelden deze nanometerprecieze verwerkingsmethode enkele jaren geleden. Voor de controle wordt het invallende licht eerst door de pixel – het punt op de chip waar het materiaal is bewerkt – omgezet in een oppervlaktegolf (een oppervlakteplasmonpolariton), die zich voortplant langs het oppervlak van de chip.

De oppervlaktegolf wordt op een ander punt binnen de pixel als een lichtgolf uit het materiaal verstrooid. De interferentie van deze lichtgolven creëert vervolgens patronen en beelden. Onderzoekers kunnen met behulp van wiskundige Fourieranalyse berekenen hoe deze beelden eruitzien en welk oppervlaktepatroon nodig is voor een specifiek beeld.

“Naast de lichtintensiteit, oftewel het licht en donker waaruit beelden worden gecreëerd, kunnen onze Fourierpixels ook andere eigenschappen van de lichtgolven controleren, zoals hun polarisatie”, zegt promovendus Yannik Glauser. Dit geeft de richting aan waarin het elektrische veld van de lichtgolf oscilleert. Om licht met een gewenste polarisatierichting te genereren, gebruiken ze oppervlaktegolven met verschillende polarisaties die samenkomen op de Fourierpixel. De polarisatie van het verstrooide licht is dan afhankelijk van de oppervlaktevorm van de pixel.

Ze kunnen ook de oscillatiefase nauwkeurig regelen en zo bijvoorbeeld lichtbundels met een gat in het midden produceren – donutvormige lichtbundels, om het zo maar te zeggen. Dit alles werkt zelfs met licht van verschillende golflengten, waardoor ook gekleurde beelden kunnen worden gegenereerd.

“We kunnen het interferentieprincipe en de Fourieranalyse ook omgekeerd toepassen om licht te analyseren met behulp van de Fourierpixel”, zegt postdoc Sander Vonk. De onderzoekers kunnen bijvoorbeeld de oscillatiefase van licht visualiseren door de lichtgolf te superponeren met een referentiegolf op de Fourierpixel. Vervolgens registreren ze het interferentiepatroon van het gezamenlijk verstrooide licht met een camera. Aan de hand van dit interferentiepatroon kunnen ze de fase van het licht berekenen. Op een vergelijkbare manier kunnen ze de polarisatietoestand analyseren.

Meerdere functies op één pixel

“Dankzij het feit dat de corresponderende oppervlakteprofielen van de pixels worden bepaald met behulp van Fourieranalyse, kunnen we de controle en analyse van amplitude, fase en polarisatie combineren op één enkele pixel”, zegt Vonk. Bovendien is Fourieranalyse wiskundig eenvoudig en vereist geen ingewikkelde modellen.

Omdat wiskundige berekeningen ook rechtstreeks op het pixelmateriaal kunnen worden uitgevoerd met behulp van oppervlaktegolven, zou het zelfs denkbaar zijn dat Norris’ pixels zouden kunnen reageren op een vastgelegde afbeelding en overeenkomstige lichtpatronen zouden kunnen uitzenden zonder tussenkomst van een computer. Volgens Norris is een meer directe doelstelling om de methode uit te breiden naar een matrix van meerdere Fourier-pixels. Dit zou dan de creatie mogelijk maken van complexe camera-display-apparaten die werken als conventionele camera’s of displays met een veelvoud aan pixels.

Er is een patent aangevraagd voor dit onderzoek.