研究者たちが光を放射し、同時に分析できるピクセルを開発

ホームページ ナビゲーション 検索 コンテンツ フッター 連絡先 サイトマップ 新しいタイプのピクセル 材料科学研究 ETHチューリッヒの研究者たちは、画像を生成するだけでなく、分析することもできるピクセルを開発しました。将来的には、これによりカメラとディスプレイの両方として機能するデバイスの開発につながる可能性があります。 2026年6月24日 オリバー・モルシュ（フリーランスライター） 音量アップ 読書モード コメント数 新しいETH研究者のフーリエピクセルを用いて作成されたカラーロゴ。「E」の文字はカメラ上で約1ミリメートル大です。(画像: Glauser YM, Vonk SJW, et al., Nature 2026) 要約 ピクセルは、画面上で画像を生成したり、カメラで画像をキャプチャしたりします。しかし、これまで両方を行うことができるピクセルはありませんでした。研究者たちは、画像を生成し、パターンを分析できる新しい種類のピクセルを開発しました。将来的には、これらのピクセルを使用して、双方向のカメラディスプレイを実現できる可能性があります。 1927年、「ピクチャーエレメント」という言葉が初めてアメリカのテクノロジー雑誌Wireless Worldに登場し、後に「ピクセル」と略されました。今日、ピクセルはあらゆる場所に存在します。コンピューターの画面やテレビでは、カラフルな画像を生成します。カメラでは画像をキャプチャします。しかし、いずれにしても、どちらか一方を行います。つまり、ディスプレイの場合のように光を制御するか、カメラセンサーで光を分析するかのどちらかです。これまで、両方を行うことができるピクセルはありませんでした。ETHチューリッヒの光学材料工学研究所の教授であるデビッド・ノリスが率いる研究チームは、今回初めてそのようなピクセルを開発しました。これらのピクセルは、光を制御することも、分析することもできます。光の強度だけでなく、その振動位相と偏光も制御および分析できます。将来的には、このような「双方向ピクセル」は、例えば、2つの機能を単一のデバイスに組み合わせたカメラディスプレイの開発につながる可能性があります。 重なり合う光波からのパターンと画像 最近、科学雑誌Natureに掲載された新しい結果は、基本的な物理効果である光波の干渉に基づいています。光が表面によって散乱されると、表面の異なる点から発生する波が重なり合います。表面の形状によって、波がさらに伝播する際の振動位相が決まります。位相が等しい場合、光波は互いに強め合いますが、位相が反対の場合、波は打ち消し合います。ノリスと彼の共同研究者たちは、この効果を利用して、波形に彫刻された表面で光を正確に制御しています。彼らは、数ナノメートルの精度を持つこの加工方法を数年前にすでに開発していました。光を制御するために、ピクセル（つまり、材料が加工されたチップ上の領域）はまず、入射光を表面波（表面プラズモンポラリトン）に変換し、チップの表面に沿って伝播させます。ピクセル内の別の位置で、表面波は光波として材料から再び散乱されます。光波の干渉を通じて、パターンと画像を生成できます。数学的なフーリエ解析を使用して、研究者たちはこれらの画像がどのように見えるか、そして特定の画像に必要な表面パターンがどのようなものであるかを計算できます。 フーリエピクセルは、表面波を使用し、それが光波として散乱されます。これらの光波は互いに干渉し、それによってパターンや画像を生成します。逆に、同じピクセルを使用して、入射光波の強度、位相、および偏光を分析できます。(画像: Glauser YM, Vonk SJW, et al., Nature 2026) 位相と偏光の制御 「画像を生成する明るい部分と暗い部分である光の強度に加えて、私たちのフーリエピクセルは、光波の他の特性、例えばその偏光も制御できます」と博士課程の学生であるヤンニク・グラウザーは言います。偏光は、光波の電場が振動する方向を示します。任意の偏光方向を持つ光を生成するために、彼らは異なる偏光を持つ表面波を使用し、それがフーリエピクセル上で重なり合います。散乱された光の偏光は、ピクセルの表面形状に依存します。彼らはまた、振動位相を正確に制御でき、それによって、例えば、中央に穴がある光線、つまりドーナツ状の光線を生成することもできます。これらすべては、異なる波長の光でも機能するため、カラー画像も生成できます。「しかし、干渉とフーリエ解析の原理を逆方向に応用して、フーリエピクセルで光を分析することもできます」とポスドク研究員のサンダー・ヴォンクは言います。例えば、研究者たちは、ピクセル上で光波と参照波を重ね合わせることで、光の振動位相を視覚化できます。彼らは、両方の波から散乱された光の干渉パターンをカメラでキャプチャします。このパターンから、光の位相を計算できます。同様の方法で、その偏光状態も分析できます。 1つのピクセルに複数の機能を統合 「ピクセルの関連する表面プロファイルがフーリエ解析を使用して決定できるという事実のおかげで、振幅、位相、および偏光の制御と分析を単一のピクセル上で組み合わせることができます」とヴォンクは言います。さらに、フーリエ解析は数学的に単純であり、複雑なモデルを必要としません。 ETHチューリッヒを優先Googleソースとして追加 ワンクリックで、Google検索で優先的に表示したいソースを選択できます。これにより、本当に自分に関連する情報をすばやく確認できます。今すぐETHチューリッヒをGoogleの優先ソースとして選択してください。 光は、テレビから携帯電話のカメラ、インターネット用の光ファイバーケーブルまで、多くの技術で使用されています。「制御と分析のための私たちの新しいピクセルは、したがって、多くの分野で有用なツールになる可能性があります」とノリスは言います。表面波を使用してピクセル材料上で数学的計算を直接実行できるため、ノリスのピクセルがキャプチャされた画像に反応し、コンピューターを介さずに対応する光パターンを生成することも考えられます。ノリスによると、より短期的な目標は、この方法を多数のフーリエピクセルからなるマトリックスに拡張することです。そのようなマトリックスは、従来のカメラやディスプレイと同様に、多数のピクセルで動作するより複雑なカメラディスプレイデバイスを実現するために使用できます。この研究は特許出願につながり、今年のスパーク賞にノミネートされました。 参考文献 Glauser YM, Vonk SJW, et al.: Fourier pixels for bidirectional light control. Nature, 2026年6月24日, DOI: 外部ページ 10.1038/s41586-026-10681-7 ニュースレター購読 ETHの最新ニュースを毎日受け取る 類似のトピック 研究 材料科学 微細加工技術 ブラウザでJavaScriptが無効になっています