Wenn das Pixel sendet und empfängt Display und Bildsensor sind auf Nanometer-Ebene vereint

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Bisher waren Pixel entweder Sender oder Empfänger. Forscher der ETH Zürich haben jetzt bidirektionale Fourier-Pixel entwickelt, die Licht gleichzeitig steuern und analysieren können. Die Technik nutzt Oberflächen-Plasmonen und könnte den Weg für echte Kamera-Displays und integrierte optische Rechenkerne ebnen.

Der Platzkampf auf der Frontseite moderner Mobilgeräte ist eines der größten Dilemmas für Systemarchitekten. Um „Under-Display-Kameras“ zu realisieren, müssen Ingenieure bisher komplexe Kompromisse bei der Bildqualität oder der Pixeldichte eingehen. Das Team um David Norris, Professor am Optical Materials Engineering Laboratory der ETH Zürich, verfolgt einen radikaleren Ansatz: Statt die Kamera hinter dem Display zu verstecken, wird das Pixel selbst zum Sensor.

Plasmonik als Schlüssel zur bidirektionalen Lichtsteuerung

Die technologische Basis der Fourier-Pixel ist die Nutzung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen. Dabei handelt es sich um elektromagnetische Oberflächenwellen, die an der Grenzfläche zwischen Metallen oder Halbleitern und Dielektrika entstehen. Anstatt Licht direkt durch Filter zu schicken, wird einfallende Strahlung auf dem Chip zunächst in diese Oberflächenwellen umgewandelt.

Die Forscher nutzen eine nanometergenau modellierte, wellenförmige Oberfläche, um diese Wellen zu steuern. Durch die gezielte Beeinflussung der Interferenz, also der Überlagerung der Wellen, kann das Pixel Licht mit spezifischen Eigenschaften wieder abstrahlen. Dieser Prozess ist vollständig umkehrbar: Trifft Licht auf das Pixel, kann das resultierende Interferenzmuster genutzt werden, um die Eigenschaften des einfallenden Lichts zu analysieren.

Kontrolle über Phase und Polarisation

Die Fourier-Pixel gehen weit über die bloße Intensitätssteuerung (Hell/Dunkel) herkömmlicher Bildschirme hinaus. „Unsere Fourier-Pixel können zusätzlich zur Lichtintensität auch noch weitere Eigenschaften der Lichtwellen kontrollieren, wie etwa deren Polarisierung“, erklärt Doktorand Yannik Glauser. Diese Polarisationskontrolle gibt an, in welche Richtung das elektrische Feld der Lichtwelle schwingt. Das ist eine Dimension, die für Standard-Displays bisher kaum zugänglich war.

Durch die exakte Modellierung der Schwingungsphase können die Forscher sogar komplexe Lichtstrahlen mit einem Loch in der Mitte herstellen, den sogenannten Donut-Strahlen. Da diese Effekte wellenlängenabhängig präzise eingestellt werden können, ist auch die Erzeugung farbiger Bilder integraler Bestandteil der Architektur.

Eine Analyse in Echtzeit

Der eigentliche Durchbruch liegt jedoch in der Umkehrbarkeit des Prinzips. Das Pixel ist kein Einbahnstraßen-Bauteil. „Das Prinzip der Interferenz und Fourier-Analyse können wir auch umgekehrt anwenden, um mit dem Fourier-Pixel Licht zu analysieren“, sagt Postdoktorand Sander Vonk. So kann das Team beispielsweise die Schwingungsphase des einfallenden Lichts sichtbar machen, indem es die Welle mit einer Referenzwelle auf dem Pixel überlagert.

Der große Vorteil gegenüber bisherigen Ansätzen ist die kompakte Integration aller Parameter. Vonk betont: „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.“

Rechnen am Pixel

Ein Aspekt, der für Leser der Elektronikpraxis im Bereich Embedded Systems besonders relevant ist, ist die inhärente Rechenfähigkeit der Pixel. Da die Interferenz der Oberflächenwellen einer physikalischen Umsetzung der Fourier-Analyse entspricht, führt das Pixel mathematische Operationen passiv aus.

Dies eröffnet die Möglichkeit für optische Signalverarbeitung direkt am Ort der Erfassung. Es wäre denkbar, dass die Pixel ohne Umwege über einen klassischen Computer unmittelbar auf ein aufgenommenes Bild reagieren und entsprechende Lichtmuster aussenden. Professor David Norris sieht darin ein enormes Potenzial für die gesamte Branche: „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.“

Vom Einzelpixel zur Matrix

Nachdem die Funktionalität auf Einzelpixel-Ebene im Fachjournal Nature nachgewiesen wurde, arbeitet die ETH Zürich nun an der Skalierung zu einer Pixel-Matrix. Ein solches Kamera-Display-Gerät würde herkömmliche CMOS-Sensoren und OLED-Arrays in einer einzigen Schicht vereinen. Ein kurzfristiges Ziel ist laut Norris die Erweiterung der Methode auf eine Matrix aus vielen Fourier-Pixeln, um komplexe Kamera-Display-Geräte zu realisieren, die wie gewohnte Displays mit Millionen von Bildpunkten in beide Richtungen arbeiten. (heh)

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