El Laboratorio de Ingeniería de Materiales Ópticos de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH Zurich) ha desarrollado un nuevo elemento de imagen multifuncional llamado "píxel de Fourier", que puede realizar simultáneamente funciones de emisión y medición de luz en la misma estructura de píxel. La investigación fue llevada a cabo por el equipo del profesor David J. Norris, y los resultados correspondientes se publicaron en la revista Nature bajo el título Fourier pixels for bidirectional light control. A diferencia de los píxeles convencionales, que solo pueden iluminar una pantalla o capturar luz, los píxeles de Fourier combinan la generación y el análisis del campo de luz en una micro-nanoestructura, permitiendo controlar y detectar la amplitud, fase y polarización de la luz, proporcionando una nueva base de dispositivos para pantallas bidireccionales, visualización holográfica, comunicaciones ópticas y procesamiento de información cuántica. El núcleo del píxel de Fourier no es registrar el brillo de un punto en la imagen, sino procesar la frecuencia espacial de la luz. Representa la ley de distribución de las ondas de luz en el espacio, por lo que puede describir el campo de luz de manera más completa.
Este logotipo de colores fue creado con la tecnología de píxeles de Fourier desarrollada por investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich. La letra "E" mide solo aproximadamente 1 milímetro de altura en la cámara.
Los píxeles de las pantallas convencionales se encargan principalmente de "emitir brillo", mientras que los píxeles de los sensores de cámara se encargan principalmente de "recibir brillo". Esta división del trabajo sustenta la estructura básica de las pantallas de teléfonos móviles, televisores, cámaras y cámaras industriales actuales, pero la mayoría de ellos solo procesan información de intensidad de luz y difícilmente pueden controlar y leer simultáneamente características de onda más ricas, como la fase y la polarización de la luz. El píxel de Fourier cambia esta lógica. Guía la propagación de ondas superficiales a través de micro-nanoperfiles en la superficie metálica, y hace que estas ondas superficiales se dispersen en ondas de luz en posiciones específicas. Después de que múltiples ondas de luz interfieran entre sí, se puede generar un patrón de campo de luz predefinido. A la inversa, cuando la luz externa incide en la misma estructura, el píxel también puede utilizar la información de interferencia para analizar el estado del campo de luz que ingresa al píxel.
La base de diseño de esta tecnología proviene del análisis de Fourier. La transformada de Fourier puede descomponer formas de onda complejas en un conjunto de componentes de diferentes frecuencias. Las ondas sonoras, las imágenes y los campos de luz pueden describirse de manera similar. El píxel de Fourier aplica este método matemático al diseño de micro-nanoestructuras ópticas: primero se determina el campo de luz que se necesita generar o detectar, y luego se deduce el perfil de ondulación que debe tener la superficie del píxel. De esta manera, un solo píxel ya no es solo un "punto brillante" o un "punto fotosensible", sino que se convierte en un pequeño sistema óptico capaz de procesar la estructura de las ondas de luz.
En cuanto a la implementación técnica, el equipo de investigación utilizó ondas superficiales de plasmones en la superficie metálica para lograr el control del campo de luz. Cuando las ondas superficiales se propagan a lo largo de la superficie metálica, interactúan con las microestructuras onduladas diseñadas y se dispersan en el espacio en direcciones predefinidas. Siempre que el perfil de la superficie sea lo suficientemente preciso, el píxel puede generar un campo de luz específico en el modo de emisión; en el modo de recepción, puede deducir la amplitud, fase y polarización de la luz a partir de los patrones de interferencia inducidos por la luz incidente. Esta estructura permite que la "emisión de luz" y la "medición de luz" ya no dependan de dos dispositivos completamente separados, sino que logren un control bidireccional de la luz en la misma plataforma de píxel.
Este tipo de píxel podría cambiar primero los límites entre las pantallas y las cámaras. Si los futuros dispositivos de visualización adoptan una matriz de píxeles de Fourier, la pantalla podría asumir simultáneamente funciones de visualización e imagen, formando una cámara-pantalla que funcione de manera bidireccional.
La pantalla bidireccional es solo una de las aplicaciones. Los píxeles de Fourier también pueden proporcionar un control más detallado del campo de luz para la visualización holográfica, ya que la visualización holográfica requiere controlar no solo el brillo, sino también la información de fase. Los sistemas de comunicación óptica también necesitan capacidades más complejas de codificación y decodificación del campo de luz, especialmente en escenarios de transmisión multicanal, de alta densidad y bajo consumo energético, donde la amplitud, la fase y la polarización pueden ser portadoras de información. El procesamiento de información cuántica exige un control aún mayor del estado de los fotones. Componentes ópticos miniaturizados, programables y bidireccionales como los píxeles de Fourier podrían ofrecer nuevas direcciones de diseño para circuitos ópticos en chip, medición de estados cuánticos y regulación precisa del campo de luz.
Esta investigación aún se encuentra en una etapa temprana. Los píxeles de Fourier actuales demuestran principalmente la capacidad de control bidireccional del campo de luz a nivel de un solo píxel. Para que realmente ingresen en pantallas de teléfonos móviles, cámaras de electrónica de consumo o dispositivos de visualización de gran área, aún es necesario resolver problemas como la formación de matrices de píxeles, la actualización dinámica, la consistencia de fabricación, la integración de sistemas y el control de costos. El equipo de Norris planea como próximo paso integrar los píxeles de Fourier en una estructura de matriz para construir cámaras-pantalla más complejas. Si la verificación de la formación de matrices es exitosa, los píxeles de Fourier pasarán de ser una unidad óptica individual a una etapa de dispositivo escalable.
Para la industria optoelectrónica, la importancia de los píxeles de Fourier radica en unificar la visualización de imágenes, la captura de imágenes y el procesamiento del campo de luz en el mismo nivel de hardware. En el pasado, los monitores, las cámaras, los elementos holográficos, los analizadores de polarización y los moduladores de fase solían ser componentes separados, lo que resultaba en sistemas complejos, mayor volumen y altos requisitos de alineación. Si los píxeles de Fourier pueden formar matrices y fabricarse de manera estable, los dispositivos futuros podrán realizar tareas de visualización, imagen, reconocimiento y comunicación óptica en un espacio más reducido. También recuerda a la industria que la próxima generación de competencia de píxeles no necesariamente se centrará solo en la resolución, el brillo y la frecuencia de actualización; la capacidad de control completo de la información del campo de luz podría convertirse en una nueva dirección tecnológica.
Los autores del artículo incluyen a 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 y David J. Norris. A medida que la visualización, la fotografía, la holografía, las comunicaciones ópticas y la óptica cuántica continúen fusionándose, los píxeles de Fourier ofrecen un camino desde los "píxeles de intensidad" hacia los "píxeles de campo de luz", abriendo también nuevas direcciones experimentales para las futuras cámaras-pantalla y los sistemas ópticos en chip.