Seit fast hundert Jahren folgt das Pixel einer ungeschriebenen Regel: Es kann entweder Licht aussenden oder Licht empfangen – nie beides gleichzeitig. Displays leuchten, Kamerasensoren sammeln Photonen. Ein Pixel, das beides in einem einzigen Element vereint, galt als physikalische Utopie. Ein Forschungsteam der ETH Zürich unter der Leitung von Professor David Norris hat diese Grenze nun eingerissen und in der renommierten Fachzeitschrift Nature ein neues Bauteil vorgestellt: das Fourier-Pixel. Es beherrscht nicht nur das Senden und Empfangen von Licht, sondern kontrolliert gleichzeitig Amplitude, Phase und Polarisation – also sämtliche Informationen, die eine Lichtwelle tragen kann.
Eine Definition nach 100 Jahren
Der Begriff „picture element“ tauchte erstmals 1927 im britischen Technologiemagazin „Wireless World“ auf. Seither hat sich die Pixel-Technologie in drei Lager gespalten: Display-Pixel steuern die Helligkeit, Kamera-Pixel messen sie, und räumliche Lichtmodulatoren (SLM) verändern die Phase. Jeder Pixel-Typ kann nur einen Teil der optischen Informationen verarbeiten. Licht besitzt jedoch drei fundamentale Eigenschaften: Amplitude (Helligkeit), Phase (zeitlicher Verlauf der Welle) und Polarisation (Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes). Bislang existierte kein Element, das alle drei Größen sowohl erzeugen als auch detektieren konnte. Das Fourier-Pixel der ETH Zürich vereint diese Fähigkeiten erstmals auf einer einzigen, winzigen Fläche.
Wie eine gewellte Oberfläche Licht kontrolliert
Das Prinzip basiert auf der Fourier-Optik, einem mathematischen Verfahren, das jede beliebige Wellenform als Überlagerung einfacher Sinuswellen beschreibt. Das Forschungsteam übersetzt diese Mathematik direkt in eine physische Nanostruktur. Dazu wird in eine dünne Silberschicht eine präzise gewellte Struktur mit Nanometer-Genauigkeit geätzt. Trifft Licht auf diese Oberfläche, wandeln die Sinusgitter es in sogenannte Oberflächenplasmonen um – elektromagnetische Wellen, die entlang der Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum wandern. Wenn diese Plasmonen über das Fourier-Element laufen, entsteht durch Interferenz das gewünschte Lichtwellenfeld, das in den Raum abgestrahlt wird.
Entscheidend ist die Umkehrbarkeit: Wird Licht von außen auf das Pixel gerichtet, wandelt die Struktur es zurück in Oberflächenplasmonen um. Aus dem Interferenzmuster lassen sich Amplitude, Phase und Polarisation exakt auslesen. Eine einzige Fläche fungiert so gleichzeitig als Kamera und Display. Der entscheidende Vorteil liegt im Designprozess. Während herkömmliche Metasurfaces auf aufwändigen elektromagnetischen Simulationen beruhen, um die Form und Anordnung von Nanoresonatoren zu optimieren, genügt für das Fourier-Pixel eine einzige Berechnung der inversen Fourier-Transformation. Die Autoren betonen, dass der Weg von der Idee zum funktionierenden Design in der Regel einen Tag dauert – ohne eine einzige iterative Simulation.
Was ist ein Fourier-Pixel?
Ein Fourier-Pixel ist ein neuartiges optisches Bauteil, das auf einer Nanometer-genauen Wellenstruktur auf einer Silberoberfläche basiert. Es kann Licht nicht nur aussenden und empfangen, sondern dabei simultan Amplitude, Phase und Polarisation der Lichtwelle kontrollieren. Damit vereint es die Funktionen eines Displays, eines Kamerasensors und eines räumlichen Lichtmodulators in einem einzigen Element.
Vom Donut-Strahl zum dreifarbigen Logo
Die Publikation listet eine Reihe von Experimenten auf, die die Leistungsfähigkeit des Fourier-Pixels belegen. Bei der Lichterzeugung erzeugten die Forscher sogenannte donutförmige Gaußsche Strahlen mit topologischen Ladungen von 1, 3 und 5 und bestätigten die Reinheit der Phasensingularitäten. Die in die Fourier-Ebene projizierten Bilder einer flachen Phase erreichten einen Speckle-Kontrast von 17 Prozent bei einem Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis von 68. Ein Fresnel-Linsen-Typ des Fourier-Pixels erzeugte einen Fokus nahe der Beugungsgrenze (Standardabweichung 0,27 µm) mit einer Umwandlungseffizienz von über 40 Prozent im Wellenlängenbereich von 500 bis 700 Nanometern.
Ein besonderes Experiment zeigt das Potenzial für die Display-Technik: Das ETH-Logo wurde in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau projiziert. Dazu wurden drei Sinuswellen unterschiedlicher Wellenlänge in ein einziges Eingangsgitter überlagert und gleichzeitig eingestrahlt. Der Buchstabe „E“ auf der Kamera maß etwa einen Millimeter.
Die Polarisationkontrolle gelang durch zwei orthogonal zueinander angeordnete Beugungsgitter, die gleichzeitig Plasmonenwellen unterschiedlicher Polarisation erzeugen. Deren Interferenz auf dem Fourier-Element erzeugte ein Vektorbündel mit räumlich variierendem Polarisationsmuster. Auch eine Polarisationsmultiplexierung wurde realisiert: Zwei unterschiedliche Bilder wurden auf orthogonale Polarisationszustände kodiert und auf der Detektionsseite durch einen Polarisator je nach Winkel einzeln sichtbar gemacht.
Bei der Detektion entwickelten die Forscher einen Phasensensor, der die Phasendifferenz zweier entgegengesetzt einfallender Beugungsgitter aus der Position der Interferenzstreifen abliest. Die Messgenauigkeit wurde nur durch das Rauschen der Laserlichtquelle selbst begrenzt (entsprechend 0,07 Grad). Die Polarisationdetektion gelang mit der gleichzeitigen Erfassung aller vier Stokes-Parameter – jener physikalischen Größen, die den Polarisationszustand von Licht vollständig beschreiben – auf einem einzigen Fourier-Pixel.
Im finalen Schritt überlagerten die Forscher alle diese Funktionen durch einfache Addition der Fourier-Komponenten. Die resultierenden multifunktionalen Fourier-Pixel mit einer Fläche zwischen 30×30 µm und 10×10 µm vereinen die vollständige Kontrolle über Amplitude, Phase und Polarisation. Das Übersprechen zwischen den Funktionen – also unerwünschte Interferenzen – wurde auf weniger als ein Hunderttausendstel der gewünschten Ausgangsleistung geschätzt.
Der Weg zur „Kamera-Display“-Einheit
Das kurzfristige Ziel der Forscher ist ein Matrix-Verbund aus vielen Fourier-Pixeln. In den ergänzenden Daten zur Studie findet sich bereits ein Rasterelektronenmikroskop-Bild einer 2×3-Anordnung von 10×10 µm großen Fourier-Pixeln mit einem Vollwinkelsensor. Die aktive Fläche – bestehend zu 32 Prozent aus Beugungsgittern und zu 64 Prozent aus Fourier-Elementen – nutzt etwa 96 Prozent der Gesamtfläche. Die Forscher rechnen mit einer Dichte von rund einer Million Pixeln pro Quadratzentimeter.
Ein bemerkenswerter Proof-of-Concept gelang für eine computerlose bidirektionale Kommunikation: Das Pixel detektierte einfallendes Licht und projizierte das Ergebnis direkt – ohne zwischengeschaltete Elektronik – als Lichtmuster in die Fourier-Ebene, während es gleichzeitig einen Fokus auf einer Zwischenebene erzeugte. Die Position des Fokus hing von der Phase des einfallenden Lichts ab, sodass aus dem Detektionsergebnis die Fokuslage vorhergesagt und korrigiert werden konnte.
Einschränkungen bleiben: Das aktuelle Fourier-Pixel ist auf eine bestimmte Wellenlänge ausgelegt. Für ein breitbandiges Arbeiten müssten Pixel für verschiedene Wellenlängen nebeneinander angeordnet werden. Zudem ist die Struktur statisch – eine dynamische Veränderung der Ausgabe erfordert entweder die Steuerung des Eingangslichts über einen räumlichen Lichtmodulator oder die Integration von schaltbaren oder nichtlinearen Materialien. Die Forscher haben beide Optionen bereits experimentell demonstriert, etwa durch das Umschalten des Polarisationszustands und die Verschiebung der Fokusposition mittels SLM. Die Materialintegration bleibt eine Aufgabe für die Zukunft. Ein Patent ist bereits angemeldet, und die Arbeit wurde für den ETH Zurich Spark Award 2026 nominiert.
Die praktischen Konsequenzen sind weitreichend. In einem Smartphone würde jeder Bildschirmpixel gleichzeitig als Kamerasensor fungieren. Die gesamte Displayfläche würde zu einem riesigen, unsichtbaren Sensor – Notch, Punch-Hole-Kamera und Unter-Display-Kamera wären technisch überholt, da Display und Sensor nicht mehr separate Bauteile wären, sondern ein und dasselbe Element. Die Anwendungen gehen weit über Mobilgeräte hinaus: In der holografischen Display-Technik könnte ein Fourier-Pixel Amplitude, Phase und Polarisation simultan steuern und so realistischere 3D-Bilder erzeugen. In der adaptiven Optik könnten Teleskope und Mikroskope mit solchen Pixeln atmosphärische Störungen oder Aberrationen in Echtzeit detektieren und korrigieren. Bereits 2020 hatte dieselbe Gruppe mit einer „optischen Fourier-Oberfläche“ die Fertigungstechnik für Nanometer-genaue Wellenstrukturen gelöst. Das Fourier-Pixel nutzt diese Technik nun, um mit einer einzigen Rechnung beliebige Lichtwellenfronten zu entwerfen. Die Basis für einen völlig neuen Pixel-Typ ist gelegt – von der Theorie über die Fertigung bis zum Design. Jetzt beginnt der Weg in die Anwendung.
