研究人员开发出可同时发射和分析光的像素

# 一种新型像素 来源：https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2026/06/a-new-type-of-pixel.html 苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员开发出了一种新型像素，它不仅能生成图像，还能分析图像。未来，这有望催生兼具摄像头和显示屏功能的设备。 E是红色，T是绿色，H是蓝色。这个彩色标识是利用ETH研究人员的新型傅里叶像素生成的。在相机上，字母“E”的高度约为1毫米。（图片来源：Glauser YM, Vonk SJW, et al., Nature 2026） ## 核心概要 - 像素要么在屏幕上生成图像，要么在相机中捕捉图像。但迄今为止，还没有一种像素能同时完成这两项任务。 - 研究人员现已开发出一种新型像素，既能生成图像和图案，也能对其进行分析。 - 未来，这些像素可用于实现双向摄像头-显示屏。 1927年，“图像元素”这一术语（后缩写为“像素”）首次出现在美国技术杂志《Wireless World》上。如今，像素无处不在：在电脑屏幕和电视中，它们生成彩色图像；在相机中，它们捕捉图像。然而，无论如何，它们都只做其中一件事——要么控制光（如显示屏的情况），要么分析光（如相机传感器）。迄今为止，还没有一种像素能两者兼顾。 由苏黎世联邦理工学院光学材料工程实验室教授David Norris领导的研究团队，现已首次开发出了这样的像素。这些像素既能引导光，也能分析光。它们不仅能控制和分析光的强度，还能控制和分析光的相位和偏振。未来，这种所谓双向像素有可能催生例如摄像头-显示屏之类的设备，将两项功能合二为一。 ## 来自重叠光波的图案和图像 这些新成果已于近期发表在科学期刊external page《自然》（https://www.nature.com/articles/s41586-026-10681-7）上，其基础是一种基本的物理效应：即所谓的光波干涉。当光被表面散射时，从表面不同点发出的光波会重叠。表面的形状决定了光波进一步传播时的相位。如果相位相同，光波会相互增强；如果相位相反，光波则会相互抵消。 Norris及其合作者利用这一效应，通过波状雕刻表面来精确控制光。他们开发出这种精度在几纳米以内的加工方法已有数年之久。在引导光时，像素——即芯片上经过加工的区域——首先将入射光转化为沿芯片表面传播的表面波（即所谓的表面等离激元极化子）。 在像素内的另一个位置，表面波作为光波被重新散射出材料。通过光波的干涉，可以生成图案和图像。研究人员利用数学上的傅里叶分析，可以计算出这些图像会是什么样子，以及生成特定图像需要什么样的表面图案。 示意图展示表面波的行为傅里叶像素利用表面波，这些波会作为光波被散射出来。这些光波相互干涉，从而生成图案和图像。反过来，同一个像素也可以用来分析入射光波的强度、相位和偏振。（图片来源：Glauser YM, Vonk SJW, et al., Nature 2026） ## 控制相位和偏振 “除了光强——即构成图像的明暗区域——我们的傅里叶像素还能控制光波的其他属性，例如偏振方向”，博士生Yannik Glauser说。偏振表示光波电场振荡的方向。为了生成任意偏振方向的光，他们使用了不同偏振方向的表面波，这些表面波在傅里叶像素上重叠。散射光的偏振方向则取决于像素的表面形状。 他们还可以精确控制振荡相位，从而例如生成中间有孔的光束——可以说是甜甜圈形状的光束。这一切甚至适用于不同波长的光，因此也可以生成彩色图像。 “然而，我们也可以反过来应用干涉和傅里叶分析的原理，利用傅里叶像素来分析光”，博士后研究员Sander Vonk说。例如，研究人员可以通过将光波与参考波叠加在像素上，使光的振荡相位变得可见。他们用相机捕捉两束波散射光的干涉图案，然后根据这个图案计算出光的相位。类似地，他们也可以分析光的偏振状态。 ## 单一像素集成多种功能 “由于像素的相关表面轮廓可以通过傅里叶分析来确定，我们可以在单个像素上结合振幅、相位和偏振的控制与分析”，Vonk说。此外，傅里叶分析数学上简单，无需复杂模型。 光在许多技术中都有应用，从电视到手机摄像头，再到互联网光纤电缆。“因此，我们用于控制和分析的新型像素，可能在许多领域成为有用的工具”，Norris说。 由于表面波可以直接在像素材料上进行数学计算，甚至可以设想Norris的像素能够对捕捉到的图像做出反应，无需经过计算机就能产生相应的光图案。Norris认为，更短期的目标是将该方法扩展到由多个傅里叶像素组成的矩阵。这样的矩阵随后可用于实现更复杂的摄像头-显示设备，就像传统相机或显示器那样，使用大量像素工作。 *这项研究已申请专利，并已获得今年Spark Award（https://transfer.ethz.ch/impact/sparkaward.html）的提名。*