Materialwissenschaften Eine neue Art von Pixel

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Forschende an der ETH Zürich haben Pixel entwickelt, die nicht nur Bilder erzeugen, sondern auch analysieren können. Damit könnten in Zukunft Geräte hergestellt werden, die gleichzeitig Kamera und Display sind.

Im amerikanischen Technikmagazin Wireless World tauchte 1927 im Zusammenhang mit der frühen Fernsehtechnik erstmals der Begriff «picture element» (Bildelement) auf, der später zu Pixel verkürzt wurde. Pixel sind heute allgegenwärtig: In Computerbildschirmen und Fernsehgeräten, wo sie bunte Bilder erzeugen. Aber auch in Kameras, wo sie Bilder aufnehmen. In jedem Fall jedoch machen sie entweder das Eine oder das Andere – entweder sie kontrollieren Licht wie im Fall eines Bildschirms, oder sie analysieren es wie bei einem Kamerasensor. Pixel, die beides können, gab es bislang nicht.

Ein Forschungsteam um David Norris, Professor am Optical Materials Engineering Laboratory der ETH Zürich, hat nun erstmals solche Pixel entwickelt. Mit ihnen kann Licht sowohl gesteuert als auch analysiert werden. Dabei kann nicht nur die Intensität des Lichts, sondern auch seine Schwingungsphase und Polarisierung kontrolliert und analysiert werden. Aus solchen sogenannten bidirektionalen Pixeln könnten in Zukunft zum Beispiel Kamera-Displays entstehen, die beide Funktionen in einem Gerät vereinen.

Muster und Bilder aus überlagerten Lichtwellen

Die neuen Ergebnisse, die soeben im Fachjournal externe Seite Nature veröffentlicht wurden, beruhen auf einem fundamentalen physikalischen Effekt: der sogenannten Interferenz von Lichtwellen. Wird Licht von einer Oberfläche gestreut, so überlagern sich die Wellen, die von verschiedenen Punkten auf der Oberfläche ausgehen. Die Form der Oberfläche entscheidet dann darüber, mit welchen Schwingungsphasen sich die Wellen weiter ausbreiten. Sind die Phasen gleich, so verstärken sich die Lichtwellen, sind sie aber entgegengesetzt, so löschen sie sich gegenseitig aus.

Norris und seine Mitarbeitenden nutzen diesen Effekt, um mit einer wellenförmig modellierten Oberfläche eines Materials Licht präzise zu steuern. Diese auf Nanometer genaue Bearbeitungsmethode entwickelten sie bereits vor einigen Jahren. Zur Steuerung wird das einfallende Licht im Material zunächst vom Pixel, also der Stelle auf dem Chip, an der das Material bearbeitet wurde, in eine Oberflächenwelle (ein sogenanntes Oberflächen-Plasmon-Polariton) umgewandelt, die sich entlang der Oberfläche des Chips ausbreitet.

Die Oberflächenwelle wird an anderer Stelle innerhalb des Pixels wieder aus dem Material als Lichtwelle gestreut. Durch die Interferenz der Lichtwellen können dann Muster und Bilder entstehen. Wie diese Bilder aussehen und welches Oberflächenmuster man für ein bestimmtes Bild braucht, können die Forschenden mit der mathematischen Fourier-Analyse berechnen.

Kontrolle von Phase und Polarisierung

«Unsere Fourier-Pixel können zusätzlich zur Lichtintensität, also dem Hell und Dunkel, aus dem Bilder entstehen, auch noch weitere Eigenschaften der Lichtwellen kontrollieren, wie etwa deren Polarisierung», sagt Doktorand Yannik Glauser. Diese gibt an, in welche Richtung das elektrische Feld der Lichtwelle schwingt. Um Licht mit beliebiger Polarisierungsrichtung zu erzeugen, benutzen sie Oberflächenwellen mit verschiedenen Polarisierungen, die auf dem Fourier-Pixel zusammentreffen. Die Polarisierung des gestreuten Lichts hängt dann von der Oberflächenform des Pixels ab.

Auch die Schwingungsphase können sie exakt kontrollieren und damit beispielsweise Lichtstrahlen mit einem Loch in der Mitte herstellen – Donut-förmige Lichtstrahlen sozusagen. All dies funktioniert sogar mit Licht verschiedener Wellenlängen, sodass auch farbige Bilder erzeugt werden können.

«Das Prinzip der Interferenz und Fourier-Analyse können wir aber auch umgekehrt anwenden, um mit dem Fourier-Pixel Licht zu analysieren», sagt Postdoktorand Sander Vonk. So können die Forschenden etwa die Schwingungsphase des Lichts sichtbar machen, indem sie die Lichtwelle mit einer Referenzwelle auf dem Fourier-Pixel überlagern. Das Interferenzmuster des gemeinsam gestreuten Lichts nehmen sie mit einer Kamera auf. Aus dem Interferenzmuster wiederum können sie dann die Phase des Lichts berechnen. Auf ähnliche Weise können sie auch dessen Polarisierungszustand analysieren.

Mehrere Funktionen auf einem Pixel vereint

«Dank der Tatsache, dass die entsprechenden Oberflächenprofile der Pixel mittels Fourier-Analyse bestimmt werden, können wir die Kontrolle und Analyse von Amplitude, Phase und Polarisierung auf einem einzigen Pixel kombinieren», sagt Vonk. Zudem ist die Fourier-Analyse mathematisch einfach und kommt ohne komplizierte Modelle aus.

Licht wird in vielen Technologien genutzt, vom Fernsehen über die Handykamera bis hin zur Internet-Glasfaser. «Unsere neuen Kontroll- und Analyse-Pixel könnten daher in vielen Bereichen ein nützliches Werkzeug werden», sagt Norris.

Da mit den Oberflächenwellen direkt auf dem Pixel-Material auch mathematische Berechnungen ausgeführt werden können, wäre sogar denkbar, dass Norris‘ Pixel ohne Umwege über einen Computer auf ein aufgenommenes Bild reagieren und entsprechende Lichtmuster aussenden könnten. Ein kurzfristigeres Ziel ist gemäss Norris die Erweiterung der Methode auf eine Matrix aus mehreren Fourier-Pixeln. Damit könnten dann komplexe Kamera-Display-Geräte realisiert werden, die wie herkömmliche Kameras oder Displays mit einer Vielzahl von Pixeln arbeiten.

Zu dieser Forschung wurde ein Patentantrag eingereicht, der für den diesjährigen Spark Award nominiert ist.

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