Исследователи создали плоское «волшебное зеркало» из жидких кристаллов
Исследователи впервые использовали жидкие кристаллы для создания плоского «волшебного зеркала» — прозрачного устройства, создающего скрытое изображение, когда на него падает свет.
Felix Hufnagel, University of Ottawa
Тысячи лет назад ремесленники в Китае и Японии делали бронзовые зеркала, которые выглядели как обычное плоское зеркало, но формировали другое изображение под прямыми солнечными лучами. Только в начале 20-го века ученые поняли, что эти устройства работают, потому что изображение, отбрасываемое на обратную сторону зеркала, создает небольшие изменения поверхности, которые вызывают формирование изображения. Теперь инженеры применяют аналогичный принцип при создании высокотехнологичных дисплеев. В 2005 году Майкл Берри, физик и математик из Бристольского университета, вывел формулу и дополнил существующие знания об эффекте, чтобы разработать теоретическую основу для создания прозрачных «волшебных зеркал».
«Волшебное зеркало, которое мы создали, кажется совершенно плоским, если смотреть на него невооруженным взглядом, но на самом деле имеет небольшие изменения поверхности, которые создают изображение в ответ на свет», — сказал руководитель исследовательской группы Феликс Хуфнагель из Университета Оттавы. — «Если сделать его относительно гладким, созданное изображение можно будет увидеть на большом расстоянии».
В журнале Optica Хуфнагель и его коллеги описывают разработанный ими процесс создания прозрачных жидкокристаллических «волшебных зеркал», которые могут воссоздавать любое желаемое изображение.
«Использование жидких кристаллов для создания волшебных окон или зеркал однажды позволит создать реконфигурируемую версию для создания динамических художественных волшебных окон или фильмов», — сказал Хуфнагель. — «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».
Жидкие кристаллы — это материалы, которые могут течь, как обычная жидкость, но имеют молекулы, которые могут быть ориентированы, как в твердых кристаллах. В своей работе исследователи использовали модифицированную версию уже известного производственного процесса, который создает определенный рисунок жидкого кристалла, что позволяет создавать желаемое изображение при освещении.
Принцип расчета фазовых картин и экспериментальная установка
Они использовали оптический элемент Панчаратнама-Берри (PBOE), который представляет собой жидкокристаллическое устройство, работающее по принципу, называемому фазой Панчаратнама-Берри. Изменяя ориентацию молекул жидких кристаллов в этом устройстве, исследователи могли изменять свойства света, когда он проходит через устройство, попиксельно.
a) Принцип работы SLM и жидкокристаллических PBOE. Оба типа дисплеев используют вращающиеся жидкие кристаллы для придания поперечного фазового профиля падающему световому лучу. SLM полагается на вращение вне плоскости, чтобы придать фазу линейно поляризованному свету, тогда как PBOE полагается на вращение в плоскости, чтобы добавить фазу на свет с круговой поляризацией за счет переворачивания его хиральности. б) Соответствующие поверхности, классически рассматриваемые в магической оптике.
«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 Хуфнагель. — «Использование нами плоских оптических элементов и жидкокристаллического рисунка с небольшими вариациями, предписанными теорией изображения Лапласа Берри, позволяет «волшебным зеркалам» казаться нормальными или плоскими, когда вы смотрите через них».
После изготовления такого 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 имеет большое значение для использования разработки в реальных приложениях.
Изображения интенсивности, записанные на разных расстояниях после отражения от волшебного зеркала на основе SLM
В настоящее время исследователи работают над тем, чтобы использовать свой подход для создания квантовых «магических пластин».
Принцип работы плоской спин-орбитальной магической пластины
Например, две пластины могут создавать «запутанные» изображения, которые можно использовать для изучения новых протоколов квантовой визуализации. Они также изучают возможность изготовления «волшебных окон» с использованием подходов без жидких кристаллов. Например, использование диэлектрических метаповерхностей для создания такого устройства может уменьшить занимаемую площадь при одновременном увеличении пропускной способности.
