Fourier-Pixel: Bildschirm kann sehen und zeigen

Bisher war die Welt der Bildaufnahme und Bilddarstellung streng getrennt: Ein Kamera-Chip misst die Helligkeit des einfallenden Lichts, ein Display zeigt das Ergebnis an. Eine Forschungsgruppe der ETH Zürich hat nun in der Fachzeitschrift Nature einen Pixel vorgestellt, der beides in einem vereint – er kann Licht nicht nur empfangen und analysieren, sondern auch selbst abstrahlen. Die Erfindung heißt Fourier-Pixel, benannt nach der Fourier-Reihe, einem mathematischen Werkzeug, das Wellenmuster in ihre einzelnen Frequenzen zerlegt.

Das Herzstück des Pixels sind komplexe Nanostrukturen – also Strukturen, die nur millionstel Millimeter groß sind. Wenn Licht auf diese Strukturen trifft, erzeugen sie eine Oberflächenwelle, die entlang des Pixels wandert. Diese Welle wird durch die Nanostrukturen so gelenkt, dass die verschiedenen Frequenzen des Lichts an unterschiedliche Orte auf dem Chip gelenkt werden. So wird das ursprünglich überlagerte Lichtmuster in seine Bestandteile zerlegt – ganz ohne zusätzliche Rechenleistung. Das Pixel kann dabei nicht nur die Intensität des Lichts messen, sondern auch seine Phase (die Position der Wellenberge) und seine Polarisation (die Schwingungsrichtung des elektrischen Felds).

Im umgekehrten Betrieb funktioniert das Prinzip genauso: Wenn die Forscher die Oberflächenwelle gezielt anregen, erzeugen dieselben Nanostrukturen ein gewünschtes Lichtfeld. So wird die Fourier-Transformation umgekehrt, und das Pixel kann nicht nur messen, sondern auch kontrolliert komplexe Lichtwellen aussenden. Das Ergebnis ist ein bidirektionales Pixel, das wie eine winzige Kamera und ein winziger Projektor in einem funktioniert.

Die möglichen Anwendungen sind vielfältig: von der Quanteninformationsverarbeitung über holografische Displays bis hin zu einer neuen Generation von Digitalkameras. Allerdings sind die Fourier-Pixel mit mehreren zehn Mikrometern Breite noch etwa zehnmal so groß wie die Pixel in modernen Kameras. Bis sie in Smartphones oder Laptops verbaut werden können, ist noch Entwicklungsarbeit nötig. Dennoch zeigt die Erfindung, wie nah wir einer Verschmelzung von Kamera und Display gekommen sind – und wie viel mehr Licht über seine Helligkeit hinaus verraten kann.