Ερευνητές δημιούργησαν το πρώτο pixel που λειτουργεί σαν οθόνη και σαν κάμερα ταυτόχρονα

Σύνοψη

• Ερευνητές του πανεπιστημίου ETH Zurich ανέπτυξαν τα "Fourier pixels", δηλαδή pixels ικανά να προβάλλουν και να καταγράφουν οπτικά δεδομένα ταυτόχρονα.
• Η λειτουργία τους βασίζεται στην παρεμβολή φωτεινών κυμάτων μέσω επιφανειών μορφοποιημένων σε κλίμακα νανομέτρων.
• Πέρα από τη φωτεινότητα, τα νέα pixels ελέγχουν την πόλωση και τη φάση ταλάντωσης του φωτός, υποστηρίζοντας πολλαπλά μήκη κύματος για την παραγωγή έγχρωμων απεικονίσεων.
• Το διαδίκτυο αντέδρασε άμεσα στην ανακοίνωση, εγείροντας ζητήματα ιδιωτικότητας και ασφάλειας απέναντι σε «οθόνες-κάμερες» που θυμίζουν τα συστήματα παρακολούθησης του μυθιστορήματος 1984.
• Η τεχνολογία βρίσκεται σε αρχικό στάδιο, λειτουργεί αποκλειστικά με φωτισμό λέιζερ, ενώ επόμενος στόχος είναι η δημιουργία μήτρας (matrix) χιλιάδων pixels για πρακτικές εφαρμογές.

Ο όρος «pixel», προερχόμενος ετυμολογικά από το «picture element», καταγράφηκε για πρώτη φορά στον τεχνικό Τύπο (συγκεκριμένα στο αμερικανικό περιοδικό Wireless World) το μακρινό 1927. Σχεδόν έναν αιώνα μετά, τα pixels παραμένουν τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της ψηφιακής απεικόνισης. 

Μέχρι σήμερα, ωστόσο, η λειτουργία τους χαρακτηριζόταν από απόλυτη μονοδρομικότητα. Τα pixels είτε αναλαμβάνουν τον έλεγχο και την εκπομπή του φωτός, όπως συμβαίνει στις οθόνες των υπολογιστών και των τηλεοράσεων, είτε εξειδικεύονται αποκλειστικά στην ανάλυση και καταγραφή του, όπως στους αισθητήρες των ψηφιακών μηχανών. Αυτός ο αυστηρός διαχωρισμός στο hardware καταρρίπτεται πλέον επίσημα από την ερευνητική ομάδα του καθηγητή David Norris στο Εργαστήριο Μηχανικής Οπτικών Υλικών (Optical Materials Engineering Laboratory) του πανεπιστημίου ETH Zurich της Ελβετίας. Οι ερευνητές παρουσίασαν μια εντελώς νέα κατηγορία αμφίδρομων pixels, τα οποία μπορούν ταυτόχρονα να κατευθύνουν και να αναλύουν το φως, ανοίγοντας νέους δρόμους στον βιομηχανικό σχεδιασμό.

Η μελέτη αναλύει σε βάθος το θεμελιώδες φυσικό φαινόμενο πάνω στο οποίο βασίζεται το επίτευγμα, δηλαδή την παρεμβολή των φωτεινών κυμάτων. Κατά τη σκέδαση του φωτός από μια επιφάνεια, τα κύματα που προέρχονται από διαφορετικά σημεία αλληλεπικαλύπτονται, ενώ η γεωμετρία της επιφάνειας καθορίζει τις φάσεις ταλάντωσης με τις οποίες διαδίδονται τα κύματα. Όταν οι φάσεις ταυτίζονται πλήρως, τα κύματα ενισχύονται, ενώ όταν αντιτίθενται, ακυρώνονται αμοιβαία.

Αξιοποιώντας αυτήν ακριβώς τη φυσική αρχή, η ομάδα του Norris ανέπτυξε τα ονομαζόμενα "Fourier pixels". Πρόκειται για επιφάνειες επεξεργασμένες με ακρίβεια λίγων νανομέτρων. Κατά τη διαδικασία ελέγχου του φωτός, το pixel μετατρέπει αρχικά το προσπίπτον φως σε επιφανειακό κύμα, το οποίο διαδίδεται κατά μήκος της επιφάνειας του μικροτσίπ. Στη συνέχεια, σε διαφορετικό σημείο της νανοδομής, το επιφανειακό κύμα σκεδάζεται ξανά εκτός του υλικού, επιστρέφοντας στην αρχική μορφή του φωτεινού κύματος. Μέσω της ελεγχόμενης παρεμβολής αυτών των κυμάτων, καθίσταται εφικτή η δημιουργία συγκεκριμένων οπτικών μοτίβων. Οι ερευνητές αξιοποιούν τη μαθηματική ανάλυση Fourier για να υπολογίσουν με απόλυτη ακρίβεια την τελική μορφή των εικόνων και το ανάγλυφο της επιφάνειας που απαιτείται.

Η τεχνολογική καινοτομία των Fourier pixels υπερβαίνει κατά πολύ τον απλό έλεγχο της φωτεινότητας (δηλαδή των φωτεινών και σκοτεινών περιοχών μιας εικόνας). Σύμφωνα με τον υποψήφιο διδάκτορα Yannik Glauser, η νέα αρχιτεκτονική επιτρέπει τον απόλυτο έλεγχο πρόσθετων ιδιοτήτων του φωτός, με έμφαση στην πόλωση, η οποία υποδεικνύει την κατεύθυνση ταλάντωσης του ηλεκτρικού πεδίου του φωτεινού κύματος. Προκειμένου να παραχθεί φως με οποιαδήποτε αυθαίρετη κατεύθυνση πόλωσης, οι ερευνητές χρησιμοποιούν επιφανειακά κύματα διαφορετικών πολώσεων, τα οποία αλληλεπικαλύπτονται πάνω στο Fourier pixel. Παράλληλα, υπάρχει η δυνατότητα ακριβούς ρύθμισης της φάσης ταλάντωσης, επιτρέποντας την παραγωγή περίπλοκων φωτεινών δεσμών. Η μέθοδος αποδεικνύεται πλήρως λειτουργική με διαφορετικά μήκη κύματος φωτός, εξασφαλίζοντας τη δυνατότητα παραγωγής έγχρωμων απεικονίσεων.

Το χαρακτηριστικό που καθιστά ωστόσο τη συγκεκριμένη ανακάλυψη πραγματικά μοναδική, είναι η ικανότητα εφαρμογής της μαθηματικής ανάλυσης και της παρεμβολής προς την ακριβώς αντίθετη κατεύθυνση. Ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Sander Vonk εξηγεί πως τα ίδια Fourier pixels μπορούν να λειτουργήσουν ως αισθητήρες, αναλύοντας το εισερχόμενο φως από το περιβάλλον. Οι ερευνητές καθιστούν ορατή τη φάση ταλάντωσης του φωτός μέσω της υπέρθεσης του προσπίπτοντος κύματος και ενός κύματος αναφοράς πάνω στο pixel. Καταγράφοντας το μοτίβο παρεμβολής που προκύπτει, υπολογίζουν τη φάση και την κατάσταση πόλωσης του εισερχόμενου φωτός. Αυτή η αρχιτεκτονική επιτρέπει θεωρητικά στα pixels να αντιδρούν δυναμικά σε μια καταγεγραμμένη εικόνα, παράγοντας το αντίστοιχο μοτίβο φωτός χωρίς καν την ανάγκη αποστολής των δεδομένων σε κεντρικό υπολογιστή.

Αν και οι εφαρμογές της νέας προσέγγισης, όπως η προσαρμοστική οπτική (adaptive optics), οι οπτικές επικοινωνίες και η επεξεργασία κβαντικής πληροφορίας, κρίνονται ιδιαίτερα υποσχόμενες, η μετάβαση σε καταναλωτικές οθόνες απέχει ακόμη αρκετά, διότι τα υφιστάμενα πρωτότυπα εξαρτώνται από φωτισμό λέιζερ ως πηγή και προβάλλουν σταθερά, προκαθορισμένα μοτίβα. Ο επόμενος στόχος είναι η κλιμάκωση της μεθόδου ώστε να κατασκευαστεί μια μήτρα χιλιάδων τέτοιων pixels, οδηγώντας τελικά σε συσκευές που θα ενσωματώνουν οθόνη και κάμερα σε ένα ενιαίο, αδιαίρετο panel. Ήδη έχει κατατεθεί αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, η οποία διεκδικεί το βραβείο Spark Award.

Η ανακοίνωση της ελβετικής ερευνητικής ομάδας πυροδότησε ωστόσο άμεσες αντιδράσεις, ιδιαίτερα στις τεχνολογικές κοινότητες του διαδικτύου. Σε πλατφόρμες όπως το Reddit, η προοπτική μιας τηλεόρασης ή ενός smartphone που ταυτοχρόνως λειτουργεί ως πανταχού παρούσα κάμερα οδήγησε σε έντονη κριτική. Σχόλια σχετικά με το τι θα μπορούσε να πάει στραβά από άποψη κυβερνοασφάλειας επικράτησαν των τεχνολογικών επαίνων. Οι συσχετισμοί με τη λογοτεχνία αποδείχθηκαν άμεσοι, καθώς πολλοί χρήστες ανέσυραν μνήμες από τις διαβόητες «τηλεοθόνες» (telescreens) του μυθιστορήματος 1984 του George Orwell, οι οποίες μετέδιδαν κυβερνητική προπαγάνδα ενώ ταυτόχρονα παρακολουθούσαν αδιάκοπα κάθε κίνηση στον ιδιωτικό χώρο των πολιτών.