Forskere skaber fladt magisk vindue med flydende krystaller

For første gang har forskere brugt flydende krystaller til at skabe et fladt magisk vindue - en gennemsigtig enhed, der producerer et skjult billede, når lyset skinner på det. Teknologien repræsenterer et nyt twist på et meget gammelt let trick.

For tusinder af år siden lavede håndværkere i Kina og Japan bronzespejle, der lignede et normalt fladt spejl, mens de så ens refleksion, men dannede et andet billede, når de blev ramt af direkte sollys. Det tog indtil begyndelsen af ​​det 20. århundrede for videnskabsmænd at forstå, at disse enheder virker, fordi et billede støbt ind i spejlets bagside skaber små overfladevariationer, der får billedet til at dannes - og det tog indtil nu for ingeniører at anvende det samme princip på væske. krystaller til højteknologiske skærme.

"Det magiske vindue, vi skabte, ser helt fladt ud med det blotte øje, men har faktisk små variationer, der skaber et billede som reaktion på lys," sagde leder af forskningsteamet Felix Hufnagel fra University of Ottawa. "Ved at designe vinduet, så det er relativt glat, kan det billede, der skabes, ses over en lang række afstande fra vinduet."

I Optica journal, Hufnagel og kolleger beskriver den proces, de udviklede til at skabe gennemsigtige flydende krystal-magiske vinduer, der kan producere ethvert ønsket billede. Processen kan også bruges til at skabe magiske spejle, der reflekterer, i stedet for at transmittere, lys for at skabe et billede.

"At bruge flydende krystaller til at lave magiske vinduer eller spejle kunne en dag gøre det muligt at skabe en rekonfigurerbar version til at producere dynamiske kunstneriske magiske vinduer eller film," sagde Hufnagel. "Evnen til at opnå en lang dybde af fokus kunne også gøre tilgangen nyttig til 3D-skærme, der producerer stabile 3D-billeder, selv når de ses fra forskellige afstande."

Skab magi med flydende krystaller

Selvom forskere i årtier har forstået, at de gamle bronze-magiske spejle dannede billeder som et resultat af små overfladevariationer, var det først i 2005, at Michael Berry, en matematisk fysiker ved University of Bristol i Storbritannien, udledte det matematiske grundlag for denne effekt. . Han udvidede senere denne viden til at udvikle et teoretisk grundlag for gennemsigtige magiske vinduer ud over reflekterende magiske spejle. Dette arbejde inspirerede Hufnagel og kolleger til at skabe et magisk vindue baseret på flydende krystaller.

Flydende krystaller er materialer, der kan flyde som en konventionel væske, men som har molekyler, der kan orienteres som en fast krystal. I det nye arbejde brugte forskerne en modificeret version af en velkendt fremstillingsproces, der producerer et specifikt flydende krystalmønster, der gør det muligt at skabe et ønsket billede, når det er belyst.

De brugte et Pancharatnam-Berry Optical Element (PBOE), som er en flydende krystalanordning, der fungerer under et velkendt princip kaldet Pancharatnam-Berry-fasen. Ved at ændre orienteringen af ​​flydende krystalmolekyler i denne enhed kunne forskerne ændre lysets egenskaber, når det bevæger sig gennem enheden pixel-for-pixel.

Stabile billeder over flere afstande

"På et konceptuelt niveau var teorien udviklet af Berry medvirkende til at bestemme, hvordan disse flydende krystaller skal orienteres for at skabe et billede, der er stabilt over en stor afstand," sagde Hufnagel. "Vores brug af flade optiske elementer og et flydende krystalmønster med blide variationer foreskrevet af Berrys Laplacian billedteori tillader de magiske vinduer at se normale eller flade ud, når man ser gennem dem."

Efter at have fremstillet et magisk spejl og vindue brugte forskerne et kamera til at måle lysintensitetsmønstrene produceret af begge enheder. Når de blev belyst med en laserstråle, producerede både spejlet og vinduet et synligt billede, der forblev stabilt, selvom afstanden mellem kameraet og spejlet eller vinduet ændrede sig. Forskerne viste også, at enhederne skabte billeder, når de blev belyst med en LED-lyskilde, hvilket ville være mere praktisk at bruge i virkelige applikationer.

Forskerne arbejder nu på at bruge deres fremstillingstilgang til at skabe kvantemagiske plader. For eksempel kunne to af disse plader skabe sammenfiltrede billeder, som man kunne bruge til at studere nye kvantebilleddannelsesprotokoller. De undersøger også muligheden for at fremstille magiske vinduer ved hjælp af andre metoder end flydende krystaller. For eksempel kan brug af dielektriske metaoverflader til at lave en magisk vinduesenhed reducere dens fodaftryk, mens båndbredden øges. + Udforsk yderligere

Stabiliserede blåfasekrystaller kan føre til nye optiske teknologier