Inventato il Fouriel pixel che vede: come funziona il nuovo tipo di elemento ottico che registra la luce

Un gruppo di ricercatori dell'ETH di Zurigo ha sviluppato una nuova tecnologia che potrebbe rappresentare un passo importante verso il superamento dei limiti dei pixel, i Fourier pixel, bidirezionali. I pixel sono gli elementi fondamentali di ogni immagine digitale, ma non tutti svolgono la stessa funzione. Quelli che compongono gli schermi di smartphone, computer e televisori servono a generare le immagini che vediamo, mentre quelli presenti nei sensori delle fotocamere fanno l'opposto, ovvero catturano la luce proveniente dall'ambiente e la trasformano in informazioni digitali, sfruttando l'interazione tra luce e materia, un fenomeno fisico legato anche all'effetto fotoelettrico. Da decenni queste due funzioni rimangono separate, tanto che display e fotocamere vengono progettati come componenti distinti.

Il risultato del loro dei ricercatori è il Fourier pixel, un particolare tipo di pixel in grado sia di visualizzare immagini sia di analizzare la luce in arrivo. In altre parole, lo stesso elemento può svolgere contemporaneamente il ruolo di display e di sensore ottico, una caratteristica che potrebbe aprire nuove prospettive nel campo dell'ottica applicata.

La ricerca non riguarda un nuovo schermo pronto ad arrivare sul mercato né una fotocamera destinata a essere integrata nei dispositivi di prossima generazione. Si tratta, invece, di una dimostrazione sperimentale che mostra come sia possibile progettare un pixel con capacità molto più ampie rispetto a quelle dei componenti tradizionali. Con ulteriori sviluppi, il Fourier pixel potrebbe trovare applicazione in ambiti che spaziano dai display di nuova generazione ai sistemi di imaging, fino ai dispositivi per la realtà aumentata e alle comunicazioni ottiche.

Come funziona il nuovo Fourier pixel dell'ETH di Zurigo

Il funzionamento del Fourier pixel si basa sull'interferenza della luce, un fenomeno fisico che si verifica quando due o più onde luminose si sovrappongono. Lo stesso meccanismo è pure alla base di tecnologie come gli ologrammi. A seconda di come si combinano, le onde possono rafforzarsi o annullarsi parzialmente, dando origine a schemi luminosi ben definiti. È un fenomeno studiato da oltre un secolo nell'ottica e oggi impiegato in diverse tecnologie avanzate.

Per sfruttarlo, i ricercatori hanno realizzato sulla superficie del dispositivo minuscole strutture con dimensioni dell'ordine dei nanometri. Quando un fascio di luce le attraversa, queste strutture trasformano parte della radiazione incidente in onde superficiali che si propagano lungo il materiale. Successivamente tali onde vengono riconvertite e, interferendo tra loro, generano schemi luminosi controllabili con estrema precisione.

Cosa rende diverso questo nuovo tipo di elemento ottico

Il nome Fourier pixel deriva dall'analisi di Fourier, uno strumento matematico utilizzato per descrivere il comportamento delle onde. Grazie a questo approccio è possibile progettare la geometria delle nanostrutture affinché il pixel produca una determinata risposta ottica. La stessa architettura, però, non si limita a controllare il segnale in uscita, ma riesce anche a ricavare informazioni da quella che arriva dall'esterno.

In pratica, il dispositivo non rileva soltanto la presenza della luce, ma va altresì ad analizzarne alcune proprietà fisiche. Questo significa che lo stesso elemento può sia produrre un determinato effetto ottico sia interpretare il segnale ricevuto, una caratteristica assente nei pixel convenzionali. Secondo gli autori dello studio, può infatti gestire parametri come la fase e la polarizzazione, informazioni particolarmente utili in numerose applicazioni scientifiche e tecnologiche.

È proprio questa doppia capacità a distinguere il Fourier pixel dai componenti tradizionali: mentre quelli di un display si limitano a emettere o modulare la luce e quelli di un sensore fotografico si occupano esclusivamente di rilevarla, il nuovo dispositivo integra entrambe le funzionalità nello stesso elemento.

Quali applicazioni potrebbe avere questa tecnologia

Integrare più funzioni ottiche nel medesimo componente apre scenari interessanti, anche se ancora tutti da esplorare. Secondo i ricercatori, il Fourier pixel potrebbe contribuire allo sviluppo di dispositivi ottici più compatti, riducendo il numero di elementi necessari per svolgere operazioni che oggi richiedono sistemi separati.

Tra le applicazioni ipotizzate figurano display intelligenti, capaci non solo di mostrare immagini, ma pure di raccogliere dati sull'ambiente circostante, e nuovi sistemi di imaging in grado di analizzare le caratteristiche della luce con maggiore precisione. Questa architettura potrebbe inoltre rivelarsi utile nei dispositivi per la realtà aumentata e la realtà mista, dove lo spazio disponibile è limitato e l'integrazione di più funzioni nello stesso elemento rappresenta un vantaggio importante.

Un altro possibile ambito di impiego riguarda le comunicazioni ottiche. Poiché il Fourier pixel è progettato per manipolare e rilevare le proprietà della luce, in futuro potrebbe essere utilizzato anche in sistemi che trasmettono informazioni attraverso segnali luminosi. Si tratta, però, di evoluzioni che richiederanno ulteriori studi prima di poter essere trasformate in applicazioni concrete.

Perché questa tecnologia non arriverà subito su smartphone e monitor

Nonostante il risultato ottenuto dai ricercatori sia promettente, il Fourier pixel è ancora un prototipo sviluppato in laboratorio. Lo studio mette in evidenza la fattibilità del concetto, ma non significa che questa soluzione sia già pronta per essere impiegata nei prodotti di largo consumo.

Uno dei principali ostacoli riguarda la complessità della sua realizzazione. Le minuscole strutture che permettono al pixel di controllare e analizzare la luce devono essere fabbricate con tecniche di nanofabbricazione estremamente precise, molto diverse da quelle impiegate per produrre i comuni display destinati a smartphone e monitor.

Anche le condizioni in cui il prototipo è stato testato sono ben lontane da quelle di un dispositivo elettronico utilizzato nella vita di tutti i giorni. Gli esperimenti sono stati condotti in un ambiente controllato e con una configurazione ottica progettata appositamente per dimostrare il funzionamento della tecnologia. Prima che possa trasformarsi in un componente commerciale sarà quindi necessario superare numerose sfide ingegneristiche, dalla miniaturizzazione del sistema fino alla produzione su larga scala.

Per il momento, dunque, il Fourier pixel rappresenta soprattutto una dimostrazione delle potenzialità offerte dall'ingegneria ottica. Serviranno ulteriori ricerche per capire se questa soluzione potrà essere adottata nei dispositivi di uso quotidiano, ma il risultato ottenuto ad oggi dimostra che il concetto stesso di pixel può evolvere, aprendo la strada a dispositivi ottici più versatili e capaci di svolgere funzioni finora considerate separate.

non perderti questo articolo

Come nascondere le app su Android: tutti i passaggi per rimuovere le icone dallo smartphone