我们早已习惯这样一个事实：屏幕是”输出”设备。它将电信号转化为光子，把信息投射到我们的视网膜上，但从不对我们所处的环境做出任何回应。想要屏幕”看见”我们？你得在它上面额外安装一个摄像头模组，让独立的感光元件去完成这个任务。
但如果一块屏幕上的每一个像素，都能同时发光和感光呢？
2026 年 6 月 24 日，ETH Zurich 的研究团队在 Nature 上发表了一篇论文，将这种设想朝现实推进了关键一步。他们发明了一种被命名为「傅里叶像素」（Fourier pixel）的全新光学元件——它不像传统像素那样只能”输出”，而是能在发光的同一时刻，分析打在它上面的光。论文题为 Fourier pixels for bidirectional light control，第一作者是博士生 Yannik Glauser 和博士后 Sander Vonk，由光学材料工程实验室的 David Norris 教授领导。
一块屏幕，两种身份
要理解这项工作的突破性，我们需要先回到像素的源头。「像素」（pixel）这个被我们用得烂熟的词，最早可以追溯到 1927 年——它作为 “picture element”（图像元素）的缩写出现在美国杂志 Wireless World 上。此后近一个世纪里，像素的发展路径始终沿着两条平行的轨道：在显示器里，它负责把电信号变成可见光；在相机传感器里，它负责把光变成电信号。一个像素要么发光，要么感光，从未有人让它同时做到这两件事。
ETH Zurich 的研究人员改变了这个局面。他们开发出的傅里叶像素不仅能控制光的强度（也就是我们熟悉的明暗），还能操控光的振荡相位和偏振状态——并且，这些操控能力是可逆的。换句话说，同一个像素既可以作为一个微型投影仪来”画”出图案，也可以作为一个微型分析仪来”读取”入射光的全部信息。
这个想法一出来，网络上的反应迅速分化为两极：一边是技术爱好者对”屏幕即摄像头”的兴奋畅想，另一边则是隐私倡导者对”电视看着你”的警觉嘲讽。TechRadar 的报道标题干脆把这两种情绪并列在了一起。
弯曲表面的魔法：从傅里叶到纳米浮雕
傅里叶像素的核心原理并不神秘——它建立在一个已有数百年历史的数学工具之上：傅里叶分析。简单来说，任何复杂的波形都可以分解为一系列正弦波的叠加。反过来，如果能精确控制许多正弦波如何叠加，你就能合成出任意想要的波形。
研究人员将这个思想从抽象的数学空间搬到了物理世界。他们在银（Ag）表面刻出精确到纳米级别的波浪形浮雕——这些起伏由傅里叶变换计算出的特定正弦曲线叠加而成，每一个纳米级的凹凸都对应着一个预先设计好的傅里叶分量。整体结构的深度仅为 150 纳米左右，但正是这些看似微小的表面起伏，决定了光的行为。
当一束光照到这个结构的一侧时，它首先被一个光栅转化为沿金属表面传播的表面波——学名叫表面等离激元（surface plasmon polariton，SPP）。SPP 像一道贴着表面滑行的涟漪，传播到傅里叶元件的区域后，被那些纳米波浪精确地散射回自由空间，重新变成光波。由于散射发生在精心设计的表面起伏上，所有散射出来的光波以精确的相位关系相干涉——有些地方相互增强，有些地方相互抵消——最终在空间中形成预先设定好的图案。
整个过程就像是用水面的波纹来”雕刻”一个三维的光场。而让这一切成为可能的，是 Norris 团队在 2020 年就已经开发出的一种纳米加工方法——热扫描探针光刻（thermal scanning probe lithography），它能在金属表面雕出任意形状的连续波浪形轮廓，精度达到几个纳米。
不只是”亮”或”暗”
普通显示器的像素只能回答一个问题：这里有多亮？但光作为电磁波，携带的信息远不止强度。它的振荡相位（波峰和波谷的相对位置）和偏振方向（电场振荡的方向）同样承载着可以被利用的信号。在光通信中，相位编码让一根光纤可以同时传输多个通道的数据；在量子信息中，偏振态本身就是信息的载体。
傅里叶像素的一个关键突破，是它把这些”隐藏”的属性也纳入了可控范围。研究人员展示了能够生成光学涡旋光束的像素——这种光束的相位沿光束轴旋转，形成一个甜甜圈形状的横截面，中心是一个”相位奇点”（光强为零）。他们还演示了矢量光束，其偏振方向在空间中以可预测的方式旋转。
在显示层面，这意味着能够利用偏振来复用信息：同一个傅里叶像素可以同时”画”出两幅不同的图像，分别编码在正交的偏振方向上。检测端只要旋转一个偏振片，就能在它们之间切换。论文展示了一个实验：一个像素同时编码了向上箭头和向右箭头，转动分析器即可选择显示其中之一。
在彩色显示方面，傅里叶像素也不逊色。通过在同一光栅中叠加不同周期——本质上是多个正弦波的叠加——它可以同时耦合红、绿、蓝三个波长的光，生成全彩图像。论文中展示了用三色光分别生成 E、T、H 字母，拼出 ETH Zurich 的标志。
反过来，就是传感器
更令人着迷的是这个过程的逆操作。既然傅里叶元件可以把 SPP 波转化为预先设计的出射光场，那么当外界的光打到像素上时，同样可以被光栅转化为 SPP，再被傅里叶元件分析——所有的物理机制都是双向的。
研究团队分别演示了相位传感器和偏振传感器。相位传感器使用两个相对的光栅，让光的入射相位差转化为干涉图样中暗纹的位置；偏振传感器则更精细，它通过在不同区域添加 0、π/2、π、3π/2 的相位偏移，在单次拍摄中同时提取出全部四个斯托克斯参数——也就是完整描述光的偏振状态所需的所有信息。
更有意思的是，他们还展示了一个”全合一”的传感器：将相位检测和偏振检测的功能叠加在同一个像素上。论文中一个 10×10 微米的像素（大约是传统相机像素的十分之一）就能在单次测量中完整表征入射光的振幅、相位和偏振。这些像素还可以排成阵列——研究人员估计，每平方厘米可以容纳约一百万个这样的全功能传感器。
这种紧凑性具有实用意义。传统光学实验室要做全斯托克斯偏振测量，需要一套包含线偏振片、半波片、四分之一波片以及多次旋转和拍摄的复杂流程。而傅里叶像素将这一切压缩在了一片薄膜上。
对显示交互范式的重新想象
傅里叶像素最直接的想象场景，是一块能同时作为摄像头运行的屏幕。你不再需要屏幕上方那个刘海或挖孔——显示屏本身就”看见”了你。这对视频会议、人脸认证、眼动追踪、手势识别等应用都有潜在的简化价值。
但更深的可能性或许在于交互层级的跃迁。当每一个像素既是发射器又是接收器时，显示器和传感器之间的物理边界消失了。你可以想象一个 AR 眼镜的镜片，它既投射数字信息到你的视网膜，同时也分析从你眼睛里反射回来的光——实现无校准的注视点渲染。或者在医学成像中，一个能同时发射和探测近红外光的传感器阵列可以实现紧凑型的深层组织成像。
在光通信领域，傅里叶像素提供了一种可能的片上集成方案。它可以把光的发射和波前分析结合在一个微米尺度的元件上，减少光通信系统中分立组件的数量。
团队还展示了一个特别有启发性的双向实验：同一个像素一边感测入射光的相位梯度，一边在这个信息的基础上生成一个聚焦光斑。由于焦斑的横向位置依赖于入射光的入射角，传感器可以实时”看到”光从哪个方向来，并相应地调整出射光——这是一套完全在光学层面完成的反馈机制，不经过任何电子计算机。
优雅的设计哲学
在翻阅这篇论文时，有一个细节让我们特别留意：研究团队在整个项目中没有进行任何电磁仿真。所有傅里叶像素的设计都仅凭傅里叶分析计算完成——从一个想法到做出可以工作的器件，平均只需要一天时间。
这与当前主流的超构表面（metasurface）设计方法形成了鲜明对比。后者通常需要将连续的光学表面近似为离散的纳米谐振器阵列，设计过程高度依赖迭代式计算电磁仿真，计算量大且不保证收敛到最优解。而傅里叶像素直接使用连续波浪形表面——这恰好是描述波动光学问题最自然的”语言”——从而可能跳过了超构表面方法中很多固有的设计瓶颈。
当然，这种设计上的简洁是有前提的：浅浮雕近似和线性衍射理论要求表面起伏的深度不能太大，这也意味着傅里叶像素在单次散射中的效率存在理论上限。论文报告的光功率效率超过 40%（500-700nm 范围），并指出不同功能之间的串扰比目标信号低五个数量级以上。
当前局限
坦率地说，傅里叶像素目前仍处于原理验证阶段，离商用还有相当距离。
首先，当前的器件是静态的——一旦刻好，它的功能就固定了。论文的扩展数据部分展示了通过外部空间光调制器来动态调谐傅里叶像素输出的可能性，但这依赖额外的光学元件。真正的片上可调谐方案（比如集成电光或热光调谐材料）尚未实现。
其次，目前所有的演示都使用激光或经过滤波的窄带非相干光源作为入射光。在真实的室内环境中，显示器和传感器面对的是宽谱、多方向的环境光。傅里叶像素如何在这样的条件下保持功能还没有得到验证。
第三，虽然 40% 的效率在光学实验层面算不错，但作为显示器像素而言——尤其是在可见光波段还要考虑人眼的感知需求——还有优化空间。论文中也提到，蓝色波段的效率明显低于绿色和红色，这是因为银在短波长下的等离激元损耗更高。
此外，双向操作（同时发光和感光）在单个像素层面已经有初步展示，但如何在真正的大面积阵列中管理自发光对外界光探测的干扰——每个像素发出的光会被邻近像素当作”噪音”接收——是一个不可忽视的系统级挑战。
一个值得注视的开端
尽管存在这些挑战，傅里叶像素依然是一项令人兴奋的原型。它的核心贡献在于打开了像素这一基础光学元件的功能维度——从一维（只关心强度）跃迁到全维度（振幅、相位、偏振），从单向（要么发射、要么接收）跃迁到双向。
1927 年，「picture element」这个词第一次出现时，人们大概不会想到，近百年后它会被重新定义。Norris 团队的工作提示我们，在最基础、最成熟的领域里，范式的缺口仍然存在——只要有人愿意追问一个看似幼稚的问题：为什么一个像素不能既发光又看光？
这项研究已经提交了专利申请，并获得了 2026 年 Spark Award 提名。我们期待看到这个想法从实验室走向工程化的那一天。
参考链接：
- https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2026/06/a-new-type-of-pixel.html
- https://www.nature.com/articles/s41586-026-10681-7
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