北京
1927年，“图像元素”(picture element)一词首次出现在美国科技杂志《无线世界》上，后来缩写为“像素”。如今，像素无处不在：电脑屏幕和电视机用它生成彩色图像，相机则用它捕捉画面。但无论如何，像素始终只承担其中一种功能——要么如显示器般控制光线，要么如相机传感器般分析光线。迄今为止，还没有能同时完成这两种任务的像素。
苏黎世联邦理工学院光学材料工程实验室教授David Norris率领的研究团队，如今首次研发出这样一种像素。它们既能操控光线，也能分析光线——不仅控制和分析光强，还能调控振荡相位与偏振。未来，这类双向像素有望催生出集摄像与显示于一体的单一设备。
重叠光波产生的图案与图像
这项新成果近期发表于《自然》期刊，其基础是一个基本物理效应：光波干涉。当光被表面散射时，从表面不同点发出的光波会相互重叠。表面形状决定了光波继续传播时的振荡相位——相位相同时光波相互增强，相位相反时则相互抵消。
矢量傅里叶像素用于全光控制和复用
Norris和合作者利用这一效应，通过波形雕刻表面精准控制光线。几年前，他们便开发出了这种精确到几纳米以内的加工方法。操控光线时，像素——即芯片上经过加工的区域——首先将入射光转化为沿芯片表面传播的表面波(表面等离激元)。在像素内的另一位置，表面波再次被散射，以光波形式离开材料。通过光波的干涉，就能生成图案和图像。借助数学上的傅里叶分析，研究人员可以计算出这些图像将呈现何种样貌，以及需要怎样的表面图案才能生成特定图像。
控制相位与偏振
博士生Yannik Glauser表示：“除了构成图像明暗区域的光强之外，我们的傅里叶像素还能控制光波的其他特性，比如偏振。”偏振指的是光波电场振荡的方向。为产生任意偏振方向的光，他们使用偏振状态不同的表面波在傅里叶像素上叠加，散射光的偏振便取决于像素的表面形状。
他们还能精确控制振荡相位，由此产生中心有孔的光束——也就是说，甜甜圈状的光束。这一切甚至适用于不同波长的光，因此也能生成彩色图像。
博士后研究员Sander Vonk说：“我们也可以反向运用干涉和傅里叶分析的原理，用傅里叶像素来分析光。”例如，研究人员将光波与一束参考波在像素上叠加，便可让光的振荡相位显现出来。他们用相机记录下两束光散射形成的干涉图样，再据此计算出光的相位。用类似方法，也能分析光的偏振状态。
单一像素集成多项功能
Vonk表示：“得益于可以通过傅里叶分析确定像素相应的表面轮廓，我们能在单个像素上集 成对振幅、相位和偏振的控制与分析。”此外，傅里叶分析在数学上较为简单，无需复杂模型。从电视、手机摄像头到互联网光纤，光广泛应用于众多技术领域。
Norris说：“因此，我们这些用于控制和分析的新型像素，可能会成为许多领域的有用工具。”
由于表面波能直接在像素材料上进行数学运算，诺里斯的像素甚至有可能对捕捉到的图像做出反应，并无需经过计算机即可生成相应的光图案。据诺里斯介绍，更近期的目标是将这种方法扩展为由众多傅里叶像素构成的矩阵。这样的矩阵可用于实现更复杂的摄像-显示设备，像传统相机或显示器那样，利用大量像素进行工作。
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