Физика

Физики создали гладкое прозрачное «волшебное окно»

Исследователям из Университета Оттавы впервые удалось создать плоское волшебное окно, используя жидкие кристаллы. Это прозрачное устройство заставляет скрытое изображение проявляться при попадании на него определенного типа света. На самом деле изобретение вдохновлено "волшебными зеркалами", которые делали в Китае и Японии тысячи лет назад. Это может помочь улучшить отображение 3D-изображений.

Древние волшебные зеркала, сделанные из полированной бронзы, на первый взгляд казались обычными зеркалами. Но когда солнечный свет попадал непосредственно на зеркало, он вызывал появление другого изображения (на земле или на другой поверхности), соответствующего узору на обратной стороне зеркала, образованному небольшими колебаниями поверхности. Аналогичное явление можно наблюдать в отражении солнца на больших окнах и улице внизу: хотя окно кажется плоским и не сильно искажает изображение, когда мы смотрим через него, небольшие деформации из-за напряжения на краях приводят к неравномерному отражению на земле (в виде узора "X"), объясняют исследователи.

Некоторые из этих объектов датируются 2000 годом до нашей эры, но только в начале 20-го века ученые начали по-настоящему понимать, как они работают - в то время как способ формирования изображений с помощью волшебных зеркал был подробно описан только в 2005 году Майклом Берри, математиком из Бристольского университета, Великобритания. Теперь группа физиков решила применить тот же принцип к жидким кристаллам, из которых состоят современные дисплеи.

Скрытое изображение, определяемое ориентацией жидких кристаллов

Работа Майкла Берри заключалась в объяснении математической основы эффекта волшебного зеркала. Затем он расширил свои знания об этих отражающих зеркалах, чтобы разработать теоретическую основу для проектирования прозрачных волшебных окон. Феликс Хуфнагель и его коллеги из Университета Оттавы на основе его исследований разработали жидкокристаллическое волшебное окно.

"Созданное нами волшебное окно выглядит идеально плоским для невооруженного глаза, но на самом деле имеет небольшие изменения, которые создают изображение в ответ на свет", — сказал Хуфнагель в своем заявлении. Поскольку окно относительно гладкое, сгенерированное изображение можно увидеть в широком диапазоне расстояний от окна, добавил физик. Их устройство может создавать любые изображения.

Жидкие кристаллы сочетают в себе свойства обычной жидкости и кристаллизованного твердого тела. Для достижения желаемого результата команда использовала оптический элемент Панчаратнама-Берри (PBOE) - жидкокристаллическое устройство, которое работает по известному принципу, называемому "фаза Панчаратнама-Берри". Изменяя ориентацию молекул жидкого кристалла в этом устройстве - с помощью электрического напряжения - исследователи смогли изменить свойства света, проходящего через устройство, пиксель за пикселем.

Принцип работы пространственных модуляторов света (SLM) и жидкокристаллических оптических элементов Панчаратнама-Берри (PBOE). Оба типа дисплеев используют вращающиеся жидкие кристаллы для придания поперечного фазового профиля падающему световому лучу. © Ф. Хуфнагель и др.

Таким образом, создавая очень специфический рисунок жидких кристаллов, можно создавать любые изображения. "Концептуально теория, разработанная Берри, позволила определить, как должны быть ориентированы эти жидкие кристаллы, чтобы создать стабильное изображение на большом расстоянии", — сказал Хуфнагель. Само волшебное окно остается совершенно обычным на вид, плоским и гладким; в отличие от него, старые волшебные зеркала имели очень небольшие неровности, которые позволяли отражать свет так, как нужно.

3D-изображения, видимые со всех сторон

После разработки жидкокристаллического волшебного зеркала и окна исследователи использовали камеру для измерения интенсивности света, создаваемого каждым устройством. При освещении лазерным лучом зеркало и окно создавали видимое изображение, которое оставалось стабильным независимо от расстояния между камерой и зеркалом или окном. Ниже показано распространение интенсивности изображения логотипа Университета Оттавы, полученного с помощью волшебного зеркала, на расстояние 5 сантиметров:

Другой эксперимент подтвердил, что эти волшебные поверхности также создавали изображения при освещении светодиодным источником света - что было бы более практичным для использования в реальных условиях. Неправильно подобранный тип света, с другой стороны, создает нелепые изображения или негатив скрытого изображения.

Использование жидких кристаллов для создания волшебных окон имеет определенные преимущества для киноиндустрии; например, можно было бы создать реконфигурируемую версию устройства для создания волшебных окон или динамических художественных фильмов, говорят исследователи. Кроме того, возможность достижения большой глубины резкости может также помочь улучшить проекторы 3D-изображений, которые часто дают действительно четкие изображения только тогда, когда вы находитесь прямо перед ними.

Сейчас исследователи пытаются расширить свой подход для создания "квантовых магических пластин". Например, две такие пластины могут создавать запутанные изображения, которые могут быть использованы для изучения новых протоколов квантовой визуализации. Они также изучают возможность создания волшебных окон с использованием других материалов, помимо жидких кристаллов, например, диэлектрических метаповерхностей.

Подписывайтесь на нас
Back to top button