Исследователи создали плоское волшебное окно из жидких кристаллов
Тысячи лет назад ремесленники в Китае и Японии делали бронзовые зеркала, которые выглядели как обычное плоское зеркало, когда смотрели на свое отражение, но формировали другое изображение под прямыми солнечными лучами. Только в начале 20-го века ученые поняли, как эти устройства работают: изображение, отбрасываемое на обратную сторону зеркала, создает небольшие изменения поверхности, которые вызывают формирование изображения. И до настоящего времени инженерам потребовалось применить тот же принцип к жидким кристаллам для высокотехнологичных дисплеев.
Исследователи использовали жидкие кристаллы для создания волшебных окон, которые создают скрытое изображение, когда на него падает свет. Предоставлено: Феликс Хуфнагель, Оттавский университет.
Исследователи впервые использовали жидкие кристаллы для создания плоского магического окна — прозрачного устройства, создающего скрытое изображение, когда на него падает свет. Технология представляет собой новый поворот в очень старом световом трюке.
Тысячи лет назад ремесленники в Китае и Японии делали бронзовые зеркала, которые выглядели как обычное плоское зеркало, когда смотрели на свое отражение, но формировали другое изображение под прямыми солнечными лучами. Только в начале 20-го века ученые поняли, как эти устройства работают: изображение, отбрасываемое на обратную сторону зеркала, создает небольшие изменения поверхности, которые вызывают формирование изображения. И до настоящего времени инженерам потребовалось применить тот же принцип к жидким кристаллам для высокотехнологичных дисплеев.
«Волшебное окно, которое мы создали, кажется совершенно плоским невооруженным глазом , но на самом деле имеет небольшие вариации, которые создают изображение в ответ на свет », — сказал руководитель исследовательской группы Феликс Хуфнагель из Университета Оттавы. «Если сделать окно относительно гладким, созданное изображение можно будет увидеть на большом расстоянии от окна».
В журнале Optica Хафнагель и его коллеги описывают разработанный ими процесс создания прозрачных жидкокристаллических волшебных окон, которые могут создавать любое желаемое изображение. Этот процесс также можно использовать для создания волшебных зеркал, которые отражают, а не пропускают свет для создания изображения.
«Использование жидких кристаллов для создания волшебных окон или зеркал однажды позволит создать реконфигурируемую версию для создания динамических художественных волшебных окон или фильмов», — сказал Хафнагель. «Возможность получить большую глубину резкости также может сделать этот подход полезным для 3D-дисплеев, которые создают стабильное 3D-изображение даже при просмотре с разных расстояний».
Создание магии с жидкими кристаллами
Хотя ученые десятилетиями понимали, что древние бронзовые волшебные зеркала формируют изображения в результате небольших изменений поверхности, только в 2005 году Майкл Берри, математический физик из Бристольского университета в Великобритании, вывел математическую основу для этого эффекта. Позже он расширил эти знания, чтобы разработать теоретическую основу для прозрачных волшебных окон в дополнение к отражающим волшебным зеркалам. Эта работа вдохновила Хафнагеля и его коллег на создание волшебного окна на основе жидких кристаллов.
Жидкие кристаллы — это материалы, которые могут течь, как обычная жидкость, но имеют молекулы, которые могут быть ориентированы, как твердый кристалл. В новой работе исследователи использовали модифицированную версию известного производственного процесса, который создает определенный рисунок жидкого кристалла, который позволяет создавать желаемое изображение при освещении.
Они использовали оптический элемент Панчаратнама-Берри (PBOE), который представляет собой жидкокристаллическое устройство, работающее по хорошо известному принципу, называемому фазой Панчаратнама-Берри. Изменяя ориентацию молекул жидких кристаллов в этом устройстве, исследователи могли изменять свойства света, когда он проходит через устройство, попиксельно.
Стабильное изображение на разных расстояниях
«На концептуальном уровне теория, разработанная Берри, сыграла важную роль в определении того, как эти жидкие кристаллы должны быть ориентированы для создания изображения, стабильного на большом расстоянии», — сказал Хафнагель. «Наше использование плоских оптических элементов и жидкокристаллического рисунка с небольшими вариациями, предписанными теорией изображения Лапласа Берри, позволяет магическим окнам казаться нормальными или плоскими, когда вы смотрите через них».
После изготовления волшебного зеркала и окна исследователи использовали камеру для измерения интенсивности света, создаваемого обоими устройствами. При освещении лазерным лучом и зеркало, и окно создавали видимое изображение, которое оставалось стабильным даже при изменении расстояния между камерой и зеркалом или окном. Исследователи также показали, что устройства создают изображения при освещении светодиодным источником света, что было бы более практичным для использования в реальных приложениях.
В настоящее время исследователи работают над тем, чтобы использовать свой подход к производству для создания квантовых магических пластин. Например, две из этих пластин могут создавать запутанные изображения, которые можно использовать для изучения новых протоколов квантовой визуализации. Они также изучают возможность изготовления волшебных окон с использованием подходов, отличных от жидких кристаллов. Например, использование диэлектрических метаповерхностей для создания волшебного оконного устройства может уменьшить занимаемую площадь при одновременном увеличении пропускной способности.
