Neues Pixel könnte Bildschirme in Kameras verwandeln

Displays erzeugen Licht, weil darauf viele einzelne Pixel (kurz für Bildelemente) angeordnet sind, die in verschiedenen Farben leuchten. Dieses Licht ist der Grund, warum wir Texte auf futurezone.at lesen oder Netflix-Serien auf modernen TV-Geräten schauen können. 

Kamera-Sensoren arbeiten hingegen mit Licht, nur in umgekehrter Weise: Sie strahlen es nicht ab, sondern nehmen das Licht wahr, das auf sie fällt. Bisher war das eine Einbahnstraße: Man konnte Licht entweder erzeugen oder analysieren, aber nicht beides gleichzeitig.

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Licht gleichzeitig erzeugen und analysieren

Forschenden der ETH Zürich ist jetzt jedoch ein Durchbruch gelungen: Sie haben ein extrem leistungsfähiges Pixel geschaffen, das Licht gleichzeitig erzeugen und analysieren kann. Die neuen Pixel können nicht nur die Intensität des Lichts, sondern auch seine Schwingungsphase und Polarisation kontrollieren und analysieren.

Damit könnte man in Zukunft Displays entwickeln, bei denen man direkt über den Bildschirm einen Videocall führt – komplett ohne separate Webcam. Auch die Erzeugung von echten 3D-Hologrammen, für die man keine klobige VR-Brille mehr aufsetzen muss, rück damit näher.

Interferenz von Lichtwellen

Die neuen Ergebnisse, die in Nature veröffentlicht wurden, beruhen auf der sogenannten Interferenz von Lichtwellen – einem grundlegenden physikalischen Effekt. Trifft Licht auf eine Oberfläche, wird es gestreut und breitet sich wellenförmig aus. Sind diese Wellen gleichförmig, verstärken sie sich gegenseitig. Wenn nicht, löschen sie sich gegenseitig aus.

Die Form der Oberfläche bestimmt dabei die Schwingungsphasen, mit denen sich die Wellen weiter ausbreiten. Diesen Effekt nutzen die Forscher zur Lichtsteuerung. Dafür haben sie bereits zuvor eine nanostrukturierte Oberfläche entwickelt, die einfallendes Licht in Oberflächenwellen umwandelt und gezielt lenkt.

An anderer Stelle innerhalb des Pixels werden diese Oberflächenwellen wieder in Licht zurückgewandelt. Mit Hilfe der mathematischen Fourier-Analyse können die Forschenden berechnen, welche Oberflächenstruktur nötig ist, um ein bestimmtes Bild zu erzeugen.

„Ein Fourier-Pixel erweitert die Funktionalität herkömmlicher Pixel, indem es Oberflächenwellen nutzt, die mit einer präzise gestalteten, wellenförmigen Mikrostruktur interagieren“, erklärten die Forschenden Yannik Glauser und Sander Vonk gegenüber Gizmodo. „In diesem Sinne ist es nicht nur ein Intensitätspixel, sondern ein kompaktes optisches Element für die vollständige Kontrolle des Lichtfelds.“

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Die Fourier-Pixel können nicht nur die Lichtstreuung steuern, sondern auch Polarisation und Farbwiedergabe beeinflussen. „Dank der Tatsache, dass sich die relevanten Oberflächenprofile der Pixel mithilfe der Fourier-Analyse bestimmen lassen, können wir die Steuerung und Analyse von Amplitude, Phase und Polarisation in einem einzigen Pixel kombinieren“, so Vonk. Sie funktionieren damit wie extrem kleine, programmierbare Lichtmanipulatoren.

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Bisher haben die Forschenden nur wenige dieser Pixel hergestellt. Doch da sie Licht sowohl aussenden als auch analysieren können, gelten sie als vielversprechende Technologie für zukünftige Anwendungen. Auch das Design ist flexibel und potenziell gut skalierbar.

„Da optische Technologien immer fortschrittlicher werden – sei es bei Displays, Sensorik, Kommunikation oder Bildgebung – werden wir Geräte benötigen, die mit der gesamten Komplexität des Lichts umgehen können“, so Glauser und Vonk.