苏黎世联邦理工学院研发“傅里叶像素”：实现光线的双向控制与分析

背景

自1927年美国科技杂志《Wireless World》首次提出“picture element”（图像元素，后缩写为像素）这一术语以来，像素已成为现代数字视觉技术的基石。如今，像素无处不在：在计算机屏幕和电视机中，它们负责生成色彩斑斓的图像；在相机传感器中，它们负责捕捉光线以记录影像。

然而，在传统的物理架构中，像素的功能是单向且互斥的。显示设备的像素主要功能是“控制”光线（发射或调制），而相机传感器的像素主要功能是“分析”光线（接收并转化为电信号）。长期以来，业界尚未出现能够同时执行这两种截然相反功能的像素单元。这种功能上的割裂，使得集成式设备（如兼具摄像头和显示屏功能的单一装置）在硬件层面面临巨大的设计挑战。

核心内容

苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）光学材料工程实验室的 David Norris 教授领导的研究团队，在《Nature》杂志上发表了最新研究成果，首次开发出能够同时“创建”和“分析”图像及图案的新型像素。这项突破基于光波干涉这一基础物理效应，并引入了“傅里叶像素”（Fourier pixels）的概念。

1. 物理原理：光波干涉与表面波 该研究的核心在于利用光波散射时的干涉现象。当光线被表面散射时，来自表面不同点的光波会发生重叠。表面的形状决定了光波传播时的振荡相位：相位相同则光波相互增强，相位相反则相互抵消。

研究团队利用一种精度达到纳米级的加工方法，在芯片材料上雕刻出波浪形的表面结构。当光线进入像素区域时，首先被转换为沿芯片表面传播的表面波（即表面等离极化激元，Surface Plasmon Polariton）。在像素的不同位置，这些表面波被散射回材料外部，重新变为光波。通过精确控制这些光波的干涉，即可生成特定的图案或图像。

2. 双向功能：从生成到分析

• 生成图像（正向过程）： 研究人员通过数学傅里叶分析，计算出特定图像所需的表面图案。通过调整像素表面的微观形状，可以精确控制输出光的强度、振荡相位和偏振状态。例如，通过叠加不同偏振的表面波，可以生成任意偏振方向的光；通过控制相位，甚至可以生成中间有空洞的“环形光束”。此外，该技术适用于不同波长的光，因此也能生成彩色图像。
• 分析光线（反向过程）： 研究团队将干涉和傅里叶分析的原理反向应用。为了分析入射光的振荡相位，研究人员将入射光波与参考光波叠加在像素上，并用相机捕捉散射光的干涉图案。通过分析该图案，即可反推出入射光的相位信息。同理，像素也能分析光的偏振状态。

3. 技术优势：数学简洁性与多功能集成 博士后研究员 Sander Vonk 指出，得益于傅里叶分析在确定像素表面轮廓时的数学简洁性，无需复杂的物理模型，即可在单个像素上同时实现对光振幅、相位和偏振的控制与分析。这种基于物理计算的特性，使得像素材料本身就能直接执行数学运算。

关键要点

• 首创双向像素： 这是世界上首批能够同时作为光源（显示）和光传感器（相机）工作的像素单元，打破了传统像素功能单一的限制。
• 全维度光场控制： 新型像素不仅能控制光的强度（明暗），还能精确操控光的振荡相位和偏振方向，支持生成复杂的三维光场结构（如环形光束）及彩色图像。
• 基于纳米结构的光子计算： 像素内部雕刻的纳米级波浪形表面充当了光学处理器，利用表面等离极化激元在材料内部进行光波调制和干涉，实现了“计算在光中完成”。
• 无需计算机预处理： 由于表面波直接在像素材料中执行数学计算，理论上这些像素可以在不经过传统计算机处理的情况下，直接对捕获的图像做出反应并生成对应的光图案。
• 未来扩展性： 短期目标是将此方法扩展为由多个傅里叶像素组成的矩阵，从而构建出类似传统相机或显示器的高分辨率双向设备。

意义与影响

这项由 David Norris 教授团队完成的研究，不仅是一项基础物理学的突破，更预示着光学器件形态的根本性变革。

1. 催生“相机-显示器”一体化设备 最直接的潜在应用是开发双向相机-显示器（Camera-Displays）。这种设备可以在同一块芯片上实现图像的捕获与显示，极大地简化了光学系统结构，为增强现实（AR）、虚拟现实（VR）以及新型可穿戴设备提供了全新的硬件基础。

2. 推动光学计算与人工智能硬件革新 由于像素材料本身具备直接处理光信号的能力，这种技术为光学神经网络和光子计算提供了新的硬件载体。它可能在未来实现超低功耗、超高速的光学数据处理，绕过传统电子计算在速度和能耗上的瓶颈。

3. 广泛的工业应用前景 光技术已广泛应用于从电视、手机摄像头到互联网光纤电缆等众多领域。这种能够同时控制和分析光线的通用型像素，有望成为这些领域中的关键工具，提升成像质量、增强显示效果或优化光通信效率。

4. 行业认可 该研究成果已申请专利，并获得了今年 Spark Award 的提名，标志着其在技术创新性和商业潜力方面得到了业界的高度认可。

参考文献：Glauser YM, Vonk SJW, et al.: Fourier pixels for bidirectional light control. Nature, 24 June 2026, DOI: 10.1038/s41586-026-10681-7