Исследователи в Швейцарии изобрели новый тип пикселя: камерам смартфонов больше не понадобятся объективы

Современные оптические технологии — от камер в смартфонах до космических телескопов — до сих пор опираются на базовые принципы, разработанные несколько веков назад. Чтобы получить изображение, нам по-прежнему требуется пропустить световой поток через стеклянную линзу, которая преломит лучи и сфокусирует их на плоском датчике. На этом датчике расположены миллионы светочувствительных элементов — пикселей.

Однако классический пиксель собирает крайне мало информации о физической реальности. Он измеряет только интенсивность излучения — то есть количество квантов света, упавших на его чувствительную область за единицу времени. На основе этих данных электроника строит двухмерную карту яркости. Но свет — это электромагнитная волна, обладающая более сложным набором фундаментальных характеристик:

• Фаза — пространственно-временная характеристика, показывающая положение волны в ее колебательном цикле в конкретный момент времени. Фаза определяет направление движения света и содержит информацию о расстоянии, которое волна прошла от объекта до датчика.
• Амплитуда — показатель максимальной напряженности электромагнитного поля волны, определяющий ее чистую энергию.
• Поляризация — пространственная ориентация вектора напряженности электрического поля, определяющая плоскость, в которой происходят колебания световой волны.

Если классический полупроводниковый пиксель работает по принципу накопления заряда, реагируя исключительно на энергетическую освещенность, то пиксель нового типа представляет собой комплексный оптический узел. Он одновременно оперирует фазовым сдвигом, амплитудным распределением, поляризационными параметрами и направлением распространения световой волны в пространстве.

Игнорируя эти параметры, мы теряем большую часть информации о световом поле. Из-за этого обычная камера не способна напрямую определять расстояние до объектов без программных алгоритмов или дополнительных лазерных датчиков глубины. Обычный дисплей, в свою очередь, не может создать объемное изображение, которое человеческий глаз воспринимал бы так же естественно, как реальные предметы.

Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые разрабатывают плоскую оптику нового поколения, где каждый пиксель обладает полной информацией о световой волне и может управлять ею. Исследователи из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich), Университета Берна и Технического университета Дании предложили концепцию так называемых пикселей Фурье, способных решить эту фундаментальную проблему.

Проблема наномасштаба: почему кремниевые кирпичики не заменили линзы

До недавнего времени основным инструментом плоской оптики считались метаповерхности. Это плоские чипы, на которых сформированы массивы из миллиардов микроскопических столбиков, блоков или колец из кремния и его диоксида. Размеры этих элементов существенно меньше длины световой волны. Когда свет проходит через такой массив, каждый отдельный столбик задерживает его на доли секунды или разворачивает плоскость его колебаний. Корректируя геометрию, высоту и взаимное расположение этих микроэлементов, можно заставить плоский чип работать как собирающая линза, призма или поляризационный фильтр.

Различие между дискретной метаповерхностью и пикселем Фурье носит принципиальный характер. Метаповерхность состоит из нанорезонаторов с резкими физическими границами, что порождает серьезные ограничения при попытке создать многофункциональные оптические элементы.

Поскольку световая волна непрерывна по своей природе, ее аппроксимация с помощью дискретных наноструктур физически затруднена. Это вызывает сильные искажения на границах отдельных элементов.

Кроме того, если оптический элемент должен решать несколько задач одновременно (например, фокусировать свет разного цвета под разными углами и разделять его по поляризации), математическое описание системы становится чрезвычайно сложным. Наноэлементы начинают непредсказуемо влиять на электромагнитные поля друг друга. Чтобы рассчитать оптимальную форму миллиардов таких блоков, требуются недели непрерывной работы суперкомпьютеров, использующих методы численного моделирования и генетические алгоритмы.

Наконец, такие структуры крайне чувствительны к точности изготовления. Минимальное отклонение от расчетных размеров (ошибка всего в 1-2 нанометра в ширине или высоте столбика) полностью нарушает фазовое распределение света. Коэффициент полезного действия таких метаповерхностей резко падает, что делает их массовое производство экономически нецелесообразным.

Волновой рельеф: в чем суть изобретения швейцарских инженеров

Швейцарские физики предложили отказаться от использования дискретных наностолбиков. Вместо этого они использовали непрерывный синусоидальный профиль поверхности — так называемые поверхности Фурье. Взаимодействие света с периодическими волнообразными структурами подчиняется законам линейной дифракции, что существенно упрощает математическое описание системы.

Этот подход основан на математическом методе, разработанном французским математиком Жаном-Батистом Фурье в начале XIX века. Метод Фурье позволяет разложить любое сложное периодическое колебание на сумму простых синусоидальных волн с разными частотами, фазами и амплитудами.

Сначала определяется целевой волновой фронт, который необходимо получить в свободном пространстве. Затем к нему применяется преобразование Фурье, позволяющее разложить сложное поле на набор элементарных синусоидальных волн с известными амплитудами, фазами и пространственными частотами. Финальным шагом эти волны математически суммируются, формируя итоговое уравнение для глубины физического микрорельефа на чипе.

Поскольку взаимодействие непрерывного света с волнообразным физическим рельефом подчиняется строгим законам дифракции, математический расчет профиля поверхности становится прямолинейным. Чтобы получить световое излучение с заданными параметрами, физикам больше не нужно моделировать поведение каждого отдельного наноэлектрода или кремниевого столбика. Нужный рельеф рассчитывается аналитически за доли секунды на обычном персональном компьютере.

Если плоский пиксель должен выполнять несколько оптических функций одновременно, уравнения этих функций просто складываются. В результате получается единый сложный волнообразный профиль, который не создает электромагнитных помех между различными рабочими каналами.

Физический механизм: как работает пиксель Фурье

Разработанный учеными пиксель представляет собой плоскую структуру размером от 10 до 30 микрометров, состоящую из входных дифракционных решеток и центрального элемента Фурье. Весь физический путь преобразования энергии внутри пикселя можно разделить на три последовательные фазы:

1. Локализация света на поверхности

Внешний источник лазерного излучения направляет свет на входную синусоидальную решетку пикселя. Параметры этой решетки подобраны так, чтобы падающие фотоны с высокой эффективностью (около 70-80%) преобразовывались в поверхностные плазмон-поляритоны. Это особые электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль границы раздела металла и диэлектрика. Свет оказывается локализован на плоской поверхности чипа и распространяется вдоль нее в виде двумерной когерентной волны.

2. Модуляция поверхностной волны

Запертая световая волна движется к центру пикселя, где расположен элемент Фурье — сложный непрерывный микрорельеф, вырезанный в материале. Глубина борозд этого рельефа составляет всего несколько десятков нанометров. Проходя через эту зону, поверхностная волна приобретает заданные фазовые, амплитудные и поляризационные характеристики в строгом соответствии с формой рельефа.

3. Вывод излучения в пространство

Элемент Фурье компенсирует разность импульсов между поверхностной волной и свободными фотонами. В результате модулированная волна дифрагирует на микрорельефе, отрывается от поверхности чипа и излучается обратно в пространство в виде объемных фотонов со строго контролируемой структурой.

Поскольку глубина профиля крайне мала, нежелательное рассеяние света и паразитные шумы сводятся практически к нулю. Эксперименты показали, что перекрестные помехи между различными наложенными функциями в пикселях Фурье примерно в 100 000 раз меньше, чем в традиционных метаповерхностях.

Двунаправленность: от генерации к прецизионному анализу

Разработанная архитектура обладает свойством взаимности: пиксель Фурье может работать не только как излучатель, но и как прецизионный датчик.

В режиме генерации пиксель принимает плоскую поверхностную волну и с помощью элемента Фурье преобразует ее в сложный объемный световой пучок заданной конфигурации. Физики экспериментально продемонстрировали генерацию следующих волновых фронтов:

• Оптические вихри (пучки Лагерра — Гаусса). Это световые пучки, фазовая поверхность которых закручена в спираль вокруг оси распространения. Такие вихри обладают орбитальным угловым моментом и используются для прецизионного захвата микрочастиц и для сверхплотной передачи данных по оптоволокну.
• Сфокусированные точки. Пиксель может работать как плоская линза, фокусируя излучение в пятно размером всего 0,27 микрометра на заданном расстоянии над чипом. При этом эффективность передачи энергии превышает 40%.
• Сложные голограммы. Физики закодировали в рельефе пикселя форму плоского логотипа университета ETH Zurich, который проецировался в пространство при облучении чипа.

В режиме сенсора устройство работает в обратном направлении. Внешнее излучение сложной формы падает на пиксель, возбуждая поверхностные волны, которые бегут навстречу друг другу и интерферируют в области элемента Фурье. Проходя через него, эти волны создают на выходе уникальный распределенный узор с чередованием темных и светлых зон. Анализ этой интерференционной картины позволяет с высокой точностью рассчитать фазу и амплитуду исходного излучения.

Используя этот принцип, авторы создали векторный датчик Стокса на площади всего 25x25 микрометров. Устройство состоит из двух ортогональных решеток и центрального элемента Фурье. Оно способно регистрировать полный вектор поляризации входящего излучения, вычисляя интенсивности интерферирующих волн в различных пространственных областях. Эксперименты подтвердили способность сенсора точно идентифицировать линейную, а также левую и правую круговую поляризации.

Нанолитография и перспективные материалы

Изготовление экспериментальных пикселей Фурье потребовало высочайшей точности, поскольку отклонение формы рельефа от расчетной формулы даже на несколько нанометров искажает фазовое распределение света.

Для создания опытных образцов авторы применили метод термопластической сканирующей зондовой литографии. Эта технология исключает использование традиционных фотошаблонов. Нагретая кремниевая игла микронного зонда последовательно испаряет слои полимера на строго заданную глубину, создавая плавные переходы. Затем на полученную полимерную матрицу наносится металлический или диэлектрический слой, точно копирующий волнообразный профиль.

Для создания металлического интерфейса, служащего идеальной средой для распространения плазмонов, использовалось серебро, обладающее минимальными омическими потерями в видимом диапазоне. Однако серебро подвержено окислению и химическому старению. Чтобы доказать применимость концепции в реальной промышленной электронике, физики создали аналогичные пиксели на базе диэлектрического материала — нитрида кремния (SiNx​).

Нитрид кремния широко применяется в современном полупроводниковом производстве и совместим со стандартными кремниевыми технологическими процессами (CMOS). Диэлектрические пиксели Фурье использовали волноводные моды вместо плазмонов, продемонстрировав стабильную генерацию и детектирование изображений в видимом диапазоне частот. Это открывает возможность для интеграции пикселей Фурье непосредственно в состав сложных оптоэлектронных чипов и фотонных процессоров.

Технологические перспективы: дисплеи без укачивания и камеры без объективов

Концепция пикселей Фурье стирает жесткую границу между устройствами, которые регистрируют свет (камеры), и устройствами, которые его излучают (дисплеи). Перенос управления фазой и поляризацией на уровень микроскопического плоского чипа приведет к серьезной трансформации сразу нескольких отраслей техники:

Трехмерные дисплеи с естественной фокусировкой

Традиционный подход к созданию трехмерного изображения имитирует объем искусственно, направляя две разные плоские проекции в левый и правый глаз наблюдателя. Это вызывает конфликт вергенции и аккомодации: глаза вынуждены фокусироваться на плоскости дисплея, хотя мозг воспринимает объект как удаленный. Такое несоответствие перегружает зрительный аппарат и часто приводит к головной боли.

В противоположность этому, дисплей на пикселях Фурье физически восстанавливает структуру световой волны в пространстве. Каждый пиксель излучает свет с индивидуально настроенной фазой. Для зрителя это означает, что световые волны сходятся в пространстве точно так же, как если бы они отражались от реального трехмерного объекта. Человеческий глаз может естественно фокусироваться на любой глубине сцены, что полностью решает проблему зрительного дискомфорта в системах виртуальной и дополненной реальности.

Интеллектуальные оптические сенсоры и лидарные системы

Современным беспилотным автомобилям и роботам требуются массивные лазерные сканеры (лидары) с быстро вращающимися зеркалами для построения трехмерной карты окружения.

Пиксели Фурье позволяют объединить излучатель и приемник в одном плоском элементе. Изменяя фазовый сдвиг подаваемого на пиксель лазерного излучения с помощью жидкокристаллического пространственного модулятора света, можно динамически отклонять выходящий луч по горизонтали и вертикали без единой движущейся детали. Одновременно соседние пиксели работают как фазовые приемники, фиксируя отраженный сигнал и рассчитывая точное расстояние до препятствий. Это позволит уменьшить размеры лидаров до габаритов стандартной микросхемы.

Высокоскоростная оптическая связь

В современных оптоволоконных сетях данные передаются за счет изменения интенсивности или частоты световых импульсов. Способность пикселей Фурье мгновенно кодировать и декодировать орбитальный угловой момент (закрученность волны) и состояние поляризации открывает новые каналы уплотнения информации. В один световой пучок можно будет одновременно транслировать десятки независимых потоков данных, разделенных по фазовым и поляризационным признакам. Это существенно увеличит пропускную способность беспроводных систем связи типа Li-Fi и оптоволоконных магистралей.

Камеры без объективов

Традиционная камера смартфона имеет толщину в несколько миллиметров из-за необходимости размещать друг за другом стеклянные фокусирующие линзы. Замена этого пакета линз на плоскую матрицу из пикселей Фурье позволит полностью отказаться от выступающих модулей на задней панели устройств.

Такой сенсор будет регистрировать не плоскую картину распределения яркости, а полную информацию о световом поле, включая фазы всех падающих лучей. Фокусировку кадра можно будет производить программно уже после съемки, выбирая любую точку в пространстве и получая четкое изображение без физических искажений.

Заключение

Разработка концепции пикселей Фурье демонстрирует возможность перехода от традиционных многокомпонентных оптических систем к планарным многофункциональным структурам. Объединение функций генерации и детектирования на масштабах единичного пикселя позволяет создавать оптические интерфейсы, способные одновременно анализировать внешнее излучение и изменять параметры собственного выходного светового поля.

Обращение к фундаментальным волновым законам и математическому аппарату Фурье позволило создать компактную и масштабируемую технологическую платформу. Дальнейшая интеграция активных и перестраиваемых материалов в структуру элементов Фурье может привести к созданию полностью программируемых планарных оптических устройств, способных адаптироваться к изменяющимся внешним условиям в режиме реального времени.

Источник: Nature