1927 m. terminas „vaizdo elementas“, vėliau sutrumpintas „pikselis“, pirmą kartą pasirodė Amerikos technologijų žurnale „Wireless World“. Šiandien pikselių yra visur: kompiuterių ekranuose ir televizoriuose, kur jie sukuria spalvingus vaizdus, bet ir fotoaparatuose, kur jie fiksuoja vaizdus. Tačiau bet kuriuo atveju jie atlieka vieną arba kitą funkciją – arba valdo šviesą, kaip ekrano atveju, arba analizuoja ją kameros jutiklyje. Iki šiol nebuvo pikselių, kurie galėtų atlikti abu šiuos veiksmus.
Furjė pikseliai naudoja paviršiaus bangas, kurios išsisklaido kaip šviesos bangos. Šios šviesos bangos trukdo viena kitai ir taip sukuria raštus bei vaizdus. Ir atvirkščiai, tas pats pikselis gali būti naudojamas įeinančių šviesos bangų intensyvumui, fazei ir poliarizacijai analizuoti. Šaltinis: „Nature“ (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10681-7
ETH Ciuricho Optinių medžiagų inžinerijos laboratorijos profesoriaus Davido Norriso vadovaujama tyrimų komanda pirmą kartą sukūrė tokius pikselius. Šie pikseliai gali ir valdyti šviesą, ir ją analizuoti. Galima valdyti ir analizuoti ne tik šviesos intensyvumą, bet ir jos virpesių fazę bei poliarizaciją. Ateityje tokie dvikrypčiai pikseliai galėtų paskatinti, pavyzdžiui, kurti kamerų ekranus, kurie sujungia abi funkcijas viename įrenginyje.
Persidengiančių šviesos bangų modeliai ir vaizdai
Nauji rezultatai, kurie neseniai buvo paskelbti žurnale „Nature“, pagrįsti esminiu fizikiniu efektu, vadinamu šviesos bangų interferencija. Kai šviesa yra išsklaidoma paviršiaus, bangos, sklindančios iš skirtingų paviršiaus taškų, persidengia. Paviršiaus forma lemia virpesių fazes, kuriomis bangos sklinda toliau. Jei fazės yra tokios pačios, šviesos bangos sustiprina viena kitą, o jei jos yra priešingos, bangos viena kitą panaikina.
Vektoriniai Furjė pikseliai visiškam šviesos valdymui ir multipleksavimui. Šaltinis: „Nature“ (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10681-7
Norrisas ir jo bendradarbiai naudoja šį efektą, kad tiksliai valdytų šviesą bangų formos skulptūriniais paviršiais. Šį apdorojimo metodą, kurio tikslumas siekia kelis nanometrus, jie sukūrė jau prieš kelerius metus. Valdymo tikslais pikselis, tai yra lusto sritis, kurioje buvo apdorota medžiaga, pirmiausia transformuoja įeinančią šviesą į paviršiaus bangą (vadinamąjį paviršiaus plazmono poliaritoną), sklindančią lusto paviršiumi.
Kitoje pikselio vietoje paviršiaus banga išsklaidoma atgal iš medžiagos kaip šviesos banga. Dėl šviesos bangų interferencijos galima sukurti raštus ir vaizdus. Naudodami matematinę Furjė analizę, tyrėjai gali apskaičiuoti, kaip atrodys šie vaizdai ir kokio paviršiaus rašto reikia konkrečiam vaizdui.
Fazės ir poliarizacijos valdymas
„Be šviesos intensyvumo, t. y. šviesių ir tamsių sričių, iš kurių sukuriami vaizdai, mūsų Furjė pikseliai taip pat gali valdyti kitas šviesos bangų savybes, pavyzdžiui, jų poliarizaciją“, – sako doktorantas Yannik Glauser. Poliarizacija rodo kryptį, kuria svyruoja šviesos bangos elektrinis laukas. Norėdami generuoti šviesą su savavališka poliarizacijos kryptimi, jie naudoja skirtingos poliarizacijos paviršiaus bangas, kurios persidengia Furjė pikselyje. Išsklaidytos šviesos poliarizacija tada priklauso nuo pikselio paviršiaus formos.
Spalvotas logotipas buvo sukurtas naudojant ETH tyrėjų naujus Furjė pikselius. Raidė „E“ ant kameros yra maždaug 1 milimetro aukščio. Nuotrauka: Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10681-7
Jie taip pat gali tiksliai valdyti svyravimo fazę ir tokiu būdu, pavyzdžiui, sukurti šviesos spindulius su skyle viduryje – tarsi spurgos formos šviesos spindulius. Visa tai veikia net su skirtingų bangų ilgių šviesa, todėl galima generuoti ir spalvotus vaizdus.
„Tačiau taip pat galime taikyti interferencijos principą ir Furjė analizę priešinga kryptimi, kad analizuotume šviesą naudodami Furjė pikselį“, – sako podoktorantūros tyrėjas Sanderis Vonkas. Pavyzdžiui, tyrėjai gali padaryti matomą šviesos osciliacijos fazę, uždėdami šviesos bangą ir etaloninę bangą ant pikselio. Jie fiksuoja abiejų bangų išsklaidytos šviesos interferencinį modelį kamera. Iš šio modelio jie gali apskaičiuoti šviesos fazę. Panašiu būdu jie taip pat gali analizuoti jos poliarizacijos būseną.
Kelios funkcijos sujungtos viename pikselyje
„Dėl to, kad atitinkamus pikselių paviršiaus profilius galima nustatyti naudojant Furjė analizę, galime sujungti amplitudės, fazės ir poliarizacijos valdymą ir analizę viename pikselyje“, – sako Vonkas. Be to, Furjė analizė yra matematiškai paprasta ir nereikalauja sudėtingų modelių.
Šviesa naudojama daugelyje technologijų – nuo televizijos iki mobiliųjų telefonų kamerų ir šviesolaidinių kabelių internetui. „Todėl mūsų nauji valdymo ir analizės pikseliai galėtų tapti naudinga priemone daugelyje sričių“, – sako Norrisas.
Kadangi paviršiaus bangos gali būti naudojamos matematiniams skaičiavimams atlikti tiesiogiai su pikselių medžiaga, netgi įsivaizduojama, kad pikseliai galėtų reaguoti į užfiksuotą vaizdą ir, neperėję prie kompiuterio, sukurti atitinkamus šviesos srautus. Pasak Norriso, trumpalaikis tikslas yra išplėsti metodą iki matricos, sudarytos iš daugelio Furjė pikselių. Tokia matrica galėtų būti naudojama kuriant sudėtingesnius kameros ir ekrano įrenginius, kurie, kaip ir įprastos kameros ar ekranai, veiktų su daugybe pikselių.
Yannik M. Glauser et al, Fourier pixels for bidirectional light control, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10681-7
Journal information:Nature
Naujas lustas leidžia robotams matyti 4D formatu, vienu metu stebint atstumą ir greitį
Vaizdo jutiklis, maitinamas saulės spinduliais
Trimačiai silicio grandynai priartina tankesnius kompiuterių lustus prie realybės