Un nouveau type de pixel peut diriger et analyser la lumière, ouvrant la voie à des appareils qui fonctionnent à la fois comme caméra et comme écran.
Le logo en couleur a été généré à l’aide du nouveau « pixel de Fourier » mis au point par les chercheurs de l’ETH. La lettre « E » mesure environ 1 millimètre sur la caméra. (Image : Glauser YM, Vonk SJW, et al., Nature 2026)
| En bref: – Les pixels génèrent des images sur les écrans ou les capturent avec des appareils photo. Jusqu’à présent, il n’existait toutefois aucun pixel capable de faire les deux. – Des chercheurs ont mis au point un nouveau type de pixel capable à la fois de générer et d’analyser des images et des motifs. – Ces pixels de Fourier pourraient permettre à l’avenir de fabriquer des écrans de caméra bidirectionnels. |
C’est dans le magazine technique américain Wireless World qu’est apparu pour la première fois en 1927, dans le contexte des débuts de la télévision, le terme « picture element » (élément d’image), qui a ensuite été abrégé en « pixel ». Aujourd’hui, les pixels sont omniprésents : sur les écrans d’ordinateur et les téléviseurs, où ils génèrent des images colorées. Mais aussi dans les appareils photo, où ils capturent des images. Dans tous les cas, ils remplissent l’une ou l’autre de ces fonctions : soit ils contrôlent la lumière, comme dans le cas d’un écran, soit ils l’analysent, comme dans le cas d’un capteur d’appareil photo. Jusqu’à présent, il n’existait pas de pixels capables de faire les deux.
Une équipe de recherche dirigée par David Norris, professeur au Laboratoire d’ingénierie des matériaux optiques de l’ETH Zurich, vient de mettre au point pour la première fois de tels pixels. Ceux-ci permettent à la fois de contrôler et d’analyser la lumière. Il est ainsi possible de contrôler et d’analyser non seulement l’intensité de la lumière, mais aussi sa phase d’oscillation et sa polarisation. À l’avenir, ces « pixels bidirectionnels » pourraient par exemple servir à créer des écrans d’appareil photo combinant les deux fonctions en un seul appareil.
Motifs et images issus d’ondes lumineuses superposées
Ces nouveaux résultats viennent d’être publiés dans la revue spécialisée site externe Nature. Les phénomènes décrits ci-dessus reposent sur un effet physique fondamental : ce qu’on appelle l’interférence des ondes lumineuses. Lorsque la lumière est diffusée par une surface, les ondes émanant de différents points de la surface se superposent. La forme de la surface détermine alors les phases d’oscillation avec lesquelles les ondes se propagent. Si les phases sont identiques, les ondes lumineuses s’amplifient ; si elles sont opposées, elles s’annulent mutuellement.
Norris et ses collaborateurs exploitent cet effet pour contrôler précisément la lumière à l’aide d’une surface d’un matériau modelée en forme d’ondes. Ils ont mis au point cette méthode d’usinage, précise au nanomètre près, il y a déjà plusieurs années. Pour le contrôler, la lumière incidente dans le matériau est d’abord convertie, au niveau du pixel – c’est-à-dire l’emplacement sur la puce où le matériau a été traité –, en une onde de surface (appelée « plasmon-polariton de surface ») qui se propage le long de la surface de la puce.
L’onde de surface est ensuite diffusée à un autre endroit du pixel sous forme d’onde lumineuse. L’interférence des ondes lumineuses permet alors de créer des motifs et des images. Les chercheurs peuvent déterminer l’aspect de ces images et le motif de surface nécessaire à une image donnée à l’aide de l’analyse mathématique de Fourier.
Les pixels de Fourier utilisent des ondes de surface qui sont diffusées sous forme d’ondes lumineuses. Celles-ci se superposent et créent ainsi des motifs et des images. À l’inverse, l’intensité, la phase et la polarisation des ondes lumineuses incidentes peuvent être analysées à l’aide du même pixel. (Image : Glauser YM, Vonk SJW, et al., Nature 2026)
Contrôle de la phase et de la polarisation
« Nos pixels de Fourier permettent non seulement de contrôler l’intensité lumineuse, c’est-à-dire les zones claires et sombres qui composent les images, mais aussi d’autres propriétés des ondes lumineuses, telles que leur polarisation », explique Yannik Glauser, doctorant. La polarisation indique la direction dans laquelle oscille le champ électrique de l’onde lumineuse. Pour générer de la lumière avec n’importe quelle direction de polarisation, ils utilisent des ondes de surface présentant différentes polarisations, qui se rejoignent sur le pixel de Fourier. La polarisation de la lumière diffusée dépend alors de la forme de la surface du pixel.
Ils peuvent également contrôler avec précision la phase d’oscillation et ainsi, par exemple, produire des faisceaux lumineux dotés d’un trou au centre – des faisceaux lumineux en forme de beignet, pour ainsi dire. Tout cela fonctionne même avec de la lumière de différentes longueurs d’onde, ce qui permet également de générer des images en couleur.
« Nous pouvons toutefois également appliquer le principe de l’interférence et de l’analyse de Fourier dans le sens inverse pour analyser la lumière à l’aide du pixel de Fourier », explique Sander Vonk, post-doctorant. Les chercheurs peuvent ainsi, par exemple, rendre visible la phase d’oscillation de la lumière en superposant l’onde lumineuse à une onde de référence sur le pixel de Fourier. Ils enregistrent le motif d’interférence de la lumière diffusée conjointement à l’aide d’une caméra. À partir de ce motif d’interférence, ils peuvent ensuite calculer la phase de la lumière. De la même manière, ils peuvent également analyser son état de polarisation.
Plusieurs fonctions réunies sur un seul pixel
« Grâce au fait que les profils de surface correspondants des pixels sont déterminés par analyse de Fourier, nous pouvons combiner le contrôle et l’analyse de l’amplitude, de la phase et de la polarisation sur un seul pixel », explique Vonk. De plus, l’analyse de Fourier est mathématiquement simple et ne nécessite pas de modèles complexes.
La lumière est utilisée dans de nombreuses technologies, de la télévision à la fibre optique pour Internet en passant par l’appareil photo des téléphones portables. « Nos nouveaux pixels de contrôle et d’analyse pourraient donc devenir un outil utile dans de nombreux domaines », explique Norris.
Comme les ondes de surface permettent d’effectuer des calculs mathématiques directement sur le matériau des pixels, il serait même envisageable que les pixels de Norris puissent réagir à une image capturée sans passer par un ordinateur et émettre les motifs lumineux correspondants. Selon Norris, un objectif à court terme consiste à étendre cette méthode à une matrice composée de plusieurs pixels de Fourier. Cela permettrait alors de réaliser des appareils complexes combinant caméra et écran, fonctionnant comme les caméras ou les écrans classiques avec une multitude de pixels.
https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2026/06/eine-neue-art-von-pixel.fr.html