Forskare har använt flytande kristaller för att skapa magiska fönster som producerar en dold bild när ljus lyser på den. Kredit:Felix Hufnagel, University of Ottawa
För första gången har forskare använt flytande kristaller för att skapa ett platt magiskt fönster - en genomskinlig enhet som producerar en dold bild när ljus lyser på den. Tekniken representerar en ny twist på ett mycket gammalt lätttrick.
För tusentals år sedan tillverkade hantverkare i Kina och Japan bronsspeglar som såg ut som en vanlig platt spegel när de tittade på ens reflektion men som bildade en annan bild när de träffades av direkt solljus. Det tog fram till början av 1900-talet för forskare att förstå att dessa enheter fungerar eftersom en bild som gjuts in på baksidan av spegeln skapar små ytvariationer som gör att bilden bildas – och det tog tills nu för ingenjörer att tillämpa samma princip på vätska kristaller för högteknologiska skärmar.
"Det magiska fönstret vi skapade verkar perfekt platt för blotta ögat men har faktiskt små variationer som skapar en bild som svar på ljus", säger forskargruppsledaren Felix Hufnagel från University of Ottawa. "Genom att utforma fönstret så att det är relativt slätt kan bilden som skapas ses över ett stort antal avstånd från fönstret."
I Optica journal, Hufnagel och kollegor beskriver processen de utvecklade för att skapa transparenta flytande kristallmagiska fönster som kan producera vilken bild som helst. Processen kan också användas för att skapa magiska speglar som reflekterar, snarare än sänder, ljus för att skapa en bild.
"Att använda flytande kristaller för att göra magiska fönster eller speglar kan en dag göra det möjligt att skapa en omkonfigurerbar version för att producera dynamiska konstnärliga magiska fönster eller filmer", sa Hufnagel. "Möjligheten att få ett långt fokusdjup kan också göra tillvägagångssättet användbart för 3D-skärmar som producerar stabila 3D-bilder även när de ses från olika avstånd."
Skapa magi med flytande kristaller
Även om forskare har förstått i årtionden att de gamla magiska bronsspeglarna bildade bilder som ett resultat av små ytvariationer, var det inte förrän 2005 som Michael Berry, en matematisk fysiker vid University of Bristol i Storbritannien, härledde den matematiska grunden för denna effekt . Han utökade senare denna kunskap till att utveckla en teoretisk grund för transparenta magiska fönster förutom reflekterande magiska speglar. Detta arbete inspirerade Hufnagel och kollegor att skapa ett magiskt fönster baserat på flytande kristaller.
Flytande kristaller är material som kan flyta som en konventionell vätska men har molekyler som kan orienteras som en fast kristall. I det nya arbetet använde forskarna en modifierad version av en välkänd tillverkningsprocess som producerar ett specifikt flytande kristallmönster som gör att en önskad bild kan skapas när den är belyst.
De använde ett Pancharatnam-Berry Optical Element (PBOE), som är en flytande kristallenhet som fungerar enligt en välkänd princip som kallas Pancharatnam-Berry-fasen. Genom att ändra orienteringen av flytande kristallmolekyler i den här enheten kan forskarna ändra egenskaperna hos ljuset när det färdas genom enheten pixel för pixel.
Stabila bilder över flera avstånd
"På en konceptuell nivå var teorin som utvecklats av Berry avgörande för hur dessa flytande kristaller måste orienteras för att skapa en bild som är stabil över ett stort avstånd", sa Hufnagel. "Vår användning av platta optiska element och ett flytande kristallmönster med milda variationer som föreskrivs av Berrys Laplacian bildteori gör att de magiska fönstren ser normala ut, eller platta, när man tittar igenom dem."
Efter att ha tillverkat en magisk spegel och ett fönster använde forskarna en kamera för att mäta ljusintensitetsmönstren som produceras av båda enheterna. När de belysts med en laserstråle producerade både spegeln och fönstret en synlig bild som förblev stabil även när avståndet mellan kameran och spegeln eller fönstret ändrades. Forskarna visade också att enheterna skapade bilder när de belysts med en LED-ljuskälla, vilket skulle vara mer praktiskt att använda i verkliga tillämpningar.
Forskarna arbetar nu med att använda sin tillverkningsmetod för att skapa kvantmagiska plattor. Till exempel kan två av dessa plattor skapa intrasslade bilder som man kan använda för att studera nya kvantavbildningsprotokoll. De undersöker också möjligheten att tillverka magiska fönster med andra metoder än flytande kristaller. Att till exempel använda dielektriska metasytor för att göra en magisk fönsterenhet kan minska dess fotavtryck samtidigt som bandbredden ökar. + Utforska vidare
