瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)光学材料工程实验室开发出一种新型多功能图像元素“傅里叶像素”，可在同一像素结构中同时实现发光和测光功能。该研究由David J. Norris教授团队完成，相关成果以《Fourier pixels for bidirectional light control》发表在《Nature》期刊上。与只能照亮显示屏或只能捕捉光线的常规像素不同，傅里叶像素把光场生成和光场分析结合到一个微纳结构中，可对光的振幅、相位和偏振进行控制与检测，为双向屏幕、全息显示、光通信和量子信息处理提供新的器件基础。傅里叶像素的核心，不是记录图像中某一点有多亮，而是处理光的空间频率。它代表的是光波在空间中的分布规律，因此可以更完整地描述光场。

这个彩色标志由苏黎世联邦理工学院研究人员开发的傅里叶像素技术制作。字母“E”在相机上的高度仅为1毫米左右。

普通显示屏像素主要负责“发出亮度”，相机传感器像素主要负责“接收亮度”。这种分工支撑了当前手机屏幕、电视、摄像头和工业相机的基本结构，但它们大多只处理光强信息，难以同时控制和读取光的相位、偏振等更丰富的波动特征。傅里叶像素改变了这一逻辑。它通过金属表面的微纳轮廓引导表面波传播，并让这些表面波在特定位置散射成光波，多个光波之间发生干涉后，就能生成预设的光场图案。反过来，当外部光照射到同一结构上时，像素也能利用干涉信息分析进入像素的光场状态。

这项技术的设计基础来自傅里叶分析。傅里叶变换可以把复杂波形拆解成一组不同频率成分，声波、图像、光场都可以通过类似方式进行描述。傅里叶像素把这种数学方法用于微纳光学结构设计：先确定需要生成或检测的光场，再反推出像素表面应该具备的波纹轮廓。通过这种方式，单个像素不再只是一个“亮点”或“感光点”，而成为一个能处理光波结构的小型光学系统。

技术实现上，研究团队利用金属表面的等离激元表面波完成光场控制。表面波沿金属表面传播时，会与经过设计的波纹状微结构相互作用，并按照预设方向散射到空间中。只要表面轮廓足够精确，像素就能在发光模式下生成特定光场;在接收模式下，它又能从入射光引发的干涉图案中反推出光的振幅、相位和偏振。该结构让“发光”和“测光”不再依赖两个完全分离的器件，而是在同一像素平台上完成双向光控制。

这类像素首先可能改变屏幕和相机的边界。未来的显示设备若采用傅里叶像素矩阵，屏幕有机会同时承担显示和成像功能，形成可双向工作的相机显示器。

双向屏幕只是应用之一。傅里叶像素还能为全息显示提供更细致的光场控制，因为全息显示需要控制的不只是亮度，还包括相位信息。光通信系统同样需要更复杂的光场编码与解码能力，尤其是在多通道、高密度、低能耗传输场景中，振幅、相位和偏振都可以成为信息载体。量子信息处理对光子的状态控制要求更高，傅里叶像素这类小型化、可编程、可双向工作的光学元件，可能为片上光路、量子态测量和精密光场调控提供新的设计方向。

这项研究仍处于早期阶段。现阶段的傅里叶像素主要证明了单个像素层面的双向光场控制能力，距离真正进入手机屏幕、消费电子相机或大面积显示设备，还需要解决像素阵列化、动态刷新、制造一致性、系统集成和成本控制等问题。Norris团队下一步计划将傅里叶像素放入矩阵结构中，用于构建更复杂的相机显示器。若阵列化验证顺利，傅里叶像素将从单个光学单元进入可扩展器件阶段。

对光电产业来说，傅里叶像素的意义在于把图像显示、图像采集和光场处理拉到同一硬件层面。过去显示器、摄像头、全息元件、偏振分析器和相位调制器通常是分离组件，系统复杂、体积增加、对准要求高。傅里叶像素若能阵列化并实现稳定制造，未来设备可以在更小空间内完成显示、成像、识别和光通信任务。它也提醒产业界，下一代像素竞争不一定只围绕分辨率、亮度和刷新率展开，光场信息的完整控制能力可能成为新的技术方向。

论文作者包括Yannik M. Glauser、Sander J. W. Vonk、David B. Seda、Hannah Niese、Boris de Jong、Matthieu F. Bidaut、Daniel Petter、Erwan Bossavit、Gabriel Nagamine、Nolan Lassaline和David J. Norris。随着显示、摄像、全息、光通信和量子光学继续融合，傅里叶像素提供了一条从“强度像素”走向“光场像素”的路径，也为未来相机显示器和片上光学系统打开了新的实验方向。