主相机1和显示器2依赖于能局部测量或发射光强度的图像元素（像素3）。同样，空间光调制器25（SLM）包含改变光学相位的像素。然而，这些元素仅修改光的一种性质。信息由其幅度、相位和偏振携带。因此，能够生成和感知光并完全控制这些参数的像素将能实现强大的多功能和双向元素。通往此类设备的一个可能途径是缩小傅里叶光学9，传统上是通过笨重的组件实现的。超表面26——是一组共同控制光波前的纳米级谐振器的阵列——提供了在薄结构中结合功能的能力。偏振相机27、相位检测器28、相位调制器29、30以及各种光源21、31、32、33已得到验证。此外，通过有意耦合纳米级谐振器，「非局部」超表面可以模拟傅里叶光学34、35。这导致了可全幅度、相位和偏振控制的光源36和激光器37。然而，尚无超表面（无论是局部还是非局部；大阵列或“小像素”）提供完全的双向控制。这部分归因于超表面的局限性。一般来说，光与界面轮廓中的波（正弦波）相互作用。在超表面用离散亚波长谐振器近似这些正弦波时，因为许多重叠的正弦波必须同时被表示，更高的功能性变得越来越困难。此外，设计过程是非直观且计算密集的38。数值模拟必须迭代确定谐振器的局部和非局部响应，以选择它们在阵列中的形状和位置。设计领域通常是崎岖的，妨碍了可靠地收敛到最优解决方案。上述限制源于超表面方法的一个基本假设：表面必须由“块状”的离散谐振器组成，因为更合适的“波状”界面无法制造。事实上，包含正弦波精确求和的衍射界面（称为傅里叶表面）是可行的16。由于它们具有任意波动的轮廓，因此非常适合控制电磁波。此外，它们的设计涉及傅里叶分析，这不仅简单明了，还允许不同任务的表面轮廓叠加。因此，傅里叶表面为小脚印中的傅里叶光学提供了直接途径。在这里，我们利用这种直接傅里叶方法，创建能够以任意幅度、相位和偏振生成和检测光场的广泛多功能“傅里叶像素”类别。傅里叶像素的工作原理我们将傅里叶像素定义为集合精确构建的界面组件，用来执行期望的任务，使用引导波（见图1a）。我们主要使用表面等离子体极化子（SPP）波10，它们在金属界面上以相干的11和有效的13方式传播，但我们还利用下方的光子波导模式。当这些波从源发射到主要设计元素（我们称之为傅里叶元素）时，会耦合出一个精确的无背景光场。对于光形状调整而言，这个输出是由傅里叶元素发出的期望光波前。或者，如果引导波是由入射光波在源头生成的，则傅里叶元素的输出可以充分表征这入射光，表面波作为中介。此外，多个表面轮廓可以在同一傅里叶元素内叠加，以获得多功能性。因此，这种简单的架构提供了一个薄的、模块化的、可扩展的通用平台，用于在与常规像素相当的面积内三维可编程的双向设备，这些设备既形状也感知光场。这样的复杂设计之所以可能，是因为可以创建几纳米精度的波状界面16。图1：用于生成任意幅度和相位光的傅里叶像素。a，傅里叶像素的概念，包括表面引导波的源、传播路径和生成光输出的衍射傅里叶元素。b，生成具有拓扑电荷的高斯涡旋光束（q=+1）的等离子傅里叶像素。a和b中结构的尺寸被夸大以便于清晰展示。插图显示了所需输出的表面轮廓（中心区域的俯视图）。c，b中所示结构及其插图的扫描电子显微镜图像（倾斜35°）。比例尺，10微米。d，c中傅里叶像素生成的高斯涡旋光束（q=+1）在光学显微镜的后焦平面（傅里叶平面）上成像。光束轮廓的暗中心表明一个相位奇点，由测得的轴向强度小于峰值的1%确认。