Forskere lager flatt magisk vindu med flytende krystaller

For første gang har forskere brukt flytende krystaller til å lage et flatt magisk vindu – en gjennomsiktig enhet som produserer et skjult bilde når lys skinner på det. Teknologien representerer en ny vri på et veldig gammelt lett triks.

For tusenvis av år siden laget håndverkere i Kina og Japan bronsespeil som så ut som et vanlig flatt speil mens de så på ens refleksjon, men som dannet et annet bilde når de ble truffet av direkte sollys. Det tok til tidlig på 1900-tallet før forskere forsto at disse enhetene fungerer fordi et bilde støpt inn i baksiden av speilet skaper små overflatevariasjoner som får bildet til å dannes – og det tok til nå før ingeniører brukte det samme prinsippet på væske. krystaller for høyteknologiske skjermer.

“Magien vindu vi skapte ser helt flatt ut til det blotte øye men har faktisk små variasjoner som skaper et bilde som svar på lys,” sa leder for forskerteamet Felix Hufnagel fra University of Ottawa. “Ved å designe vinduet slik at det er relativt glatt, kan bildet som lages sees over et stort spekter av avstander fra vinduet.”

I OPTISK journal, Hufnagel og kolleger beskriver prosessen de utviklet for å skape transparente flytende krystall magiske vinduer som kan produsere hvilket som helst bilde. Prosessen kan også brukes til å lage magiske speil som reflekterer, i stedet for å overføre, lys for å lage et bilde.

“Å bruke flytende krystaller til å lage magiske vinduer eller speil kan en dag gjøre det mulig å lage en rekonfigurerbar versjon for å produsere dynamiske kunstneriske magiske vinduer eller filmer,” sa Hufnagel. “Evnen til å oppnå en lang dybde av fokus kan også gjøre tilnærmingen nyttig for 3D-skjermer som produserer stabile 3D-bilder selv når de sees fra forskjellige avstander.”

Skaper magi med flytende krystaller

Selv om forskere i flere tiår har forstått at de eldgamle magiske speilene i bronse dannet bilder som et resultat av små overflatevariasjoner, var det først i 2005 at Michael Berry, en matematisk fysiker ved University of Bristol i Storbritannia, utledet det matematiske grunnlaget for denne effekten. . Han utvidet senere denne kunnskapen til å utvikle et teoretisk grunnlag for gjennomsiktige magiske vinduer i tillegg til reflekterende magiske speil. Dette arbeidet inspirerte Hufnagel og kollegene til å lage et magisk vindu basert på flytende krystaller.

Flytende krystaller er materialer som kan flyte som en konvensjonell væske, men som har molekyler som kan orienteres som en fast krystall. I det nye arbeidet brukte forskerne en modifisert versjon av en velkjent fabrikasjonsprosess som produserer et spesifikt flytende krystallmønster som gjør at et ønsket bilde kan lages når det er belyst.

De brukte et Pancharatnam-Berry Optical Element (PBOE), som er en flytende krystallenhet som opererer under et velkjent prinsipp kalt Pancharatnam-Berry-fasen. Ved å endre orienteringen til flytende krystallmolekyler i denne enheten, kan forskerne endre egenskapene til lyset når det beveger seg gjennom enheten piksel-for-piksel.

Stabile bilder over flere avstander

“På et konseptuelt nivå var teorien utviklet av Berry medvirkende til å bestemme hvordan disse flytende krystallene må orienteres for å skape et bilde som er stabilt over en stor avstand,” sa Hufnagel. “Vår bruk av flate optiske elementer og et flytende krystallmønster med milde variasjoner foreskrevet av Berrys Laplacian-bildeteori gjør at de magiske vinduene kan virke normale, eller flate, når man ser gjennom dem.”

Etter å ha laget et magisk speil og et vindu, brukte forskerne et kamera for å måle lysintensitetsmønstrene produsert av begge enhetene. Når den er opplyst med en laser stråle, produserte både speilet og vinduet et synlig bilde som holdt seg stabilt selv om avstanden mellom kameraet og speilet eller vinduet endret seg. Forskerne viste også at enhetene skapte bilder når de ble belyst med en LED-lyskilde, noe som ville være mer praktisk å bruke i virkelige applikasjoner.

Forskerne jobber nå med å bruke sin fabrikasjonstilnærming til å lage kvantemagiske plater. For eksempel kan to av disse platene lage sammenfiltrede bilder som man kan bruke til å studere nye kvanteavbildningsprotokoller. De utforsker også muligheten for å lage magiske vinduer ved å bruke andre metoder enn flytende krystaller. For eksempel kan bruk av dielektriske metaoverflater for å lage en magisk vindusenhet redusere fotavtrykket samtidig som det øker båndbredden.

---

---