Forskere manipulerer lys for at få flade overflader til at fremstå som 3D-objekter

Forskere har skabt nye 2-D nanostrukturerede overflader, der fremstår som realistiske 3-D objekter – inklusive skygger og skygger – ved hjælp af banebrydende nano-teknik.

Forskningen blev udført af King's College London sammen med Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, og er publiceret i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver .

Når lys rammer en genstand, farven, struktur, og form påvirker, hvordan lys absorberes og reflekteres, så du kan se genstanden foran dig. Ved at ændre overfladen for at ændre, hvordan lys reflekteres, det er muligt at manipulere, hvordan det ser ud.

Forskerne udviklede lagdelte materialer, inkorporerer præcist designede nano-funktioner, der er mindre end lysets bølgelængde, kaldet metasflader. Dette gjorde det muligt for dem at kontrollere, hvordan lys reflekteres på meget præcise måder, så en 2-D overflade reflekterer lys ligesom et 3-D objekt ville.

Lån en teknik fra 3-D computergrafik kaldet Normal Mapping, forskere kodede skyggeeffekter ind i billedet, skabe 3-D-billeder mere realistiske end hologrammer eller 3-D-biograf. Som et bevis på konceptet, forskerne fremstillede en flad metaflade, der imiterede lys- og skyggeeffekter af en 3D-terning.

Ændrer måden, vi ser lys på

Teknikken kan have enorme konsekvenser for de optiske industrier, herunder i tv-skærme og fotografering, samt i sikkerhedsetiketter til beskyttelse af varer og pengesedler mod forfalskning.

Professor Anatoly Zayats fra King's College siger:"Metasurfaces er fantastiske. De åbner op for en hidtil uset frihed til at dirigere og manipulere lys. Man kan i sidste ende forestille sig en tv-skærm, der ser ud nøjagtigt det samme, når man bevæger sig rundt på den, eller en ny bevægelse af 3D-kunst."

Evnen til at styre lyset kunne bringe ny funktionalitet til små kameralinser. En flad overflade kan fås til at virke optisk konveks ved at designe passende metasurface-egenskaber. Fremtidige generationer af smartphone-kameraer kunne bruge de bittesmå flade metaoverflader, som efterligner egenskaberne af sofistikerede buede kameralinser, giver meget større kontrol over vinkel og dybdefelt.

Metasurfaces kunne også erstatte tunge optiske linser i applikationer som satellitter, hvor vægt og størrelse har stor betydning for effektiviteten.

Mere umiddelbart, de nye nanomaterialer kan allerede bruges til at skabe unikke komplekse 3-D-billeder til sikkerheds- og anti-forfalskning applikationer, samt til nye måleapplikationer, der kræver præcis lysstyring.

Meget mere end et hologram

I modsætning til hologrammer, som kræver en sammenhængende lyskilde, såsom en laser, for at blive set, disse overflader manipulerer refleksionen af ​​normalt lys, så de fremstår som et realistisk 3D-objekt i enhver lystilstand og fra enhver vinkel.

Eksisterende holografiske tilgange er afhængige af "spekulær reflektion", dvs. lyset, der kommer fra en bestemt retning, reflekteres i en unik udgående retning, som med et spejl. For at opnå dynamiske lysskyggeeffekter, et metasurface-design involverer 'diffuse reflektion' – som tillader kontrol over dets spredningsegenskaber, så billedet kan ses direkte på det.

For proof of concept, forskerne designet en terning ved hjælp af den normale kortlægningsteknik, som blev kodet ind i metasfladen. Når den er oplyst, metaoverfladen "beregner" øjeblikkeligt, hvordan en 3D-repræsentation af billedet skal se ud og viser det.

Dr Alexander Minovich, Royal Society Newton International Fellow ved King's College London, sagde:"Den normale kortlægning demonstreret med vores metasurface er et helt nyt koncept, men det kan have meget vigtige konsekvenser for en lang række optiske industrier, både med at introducere ny funktionalitet og gøre produkter mindre og lettere."