科研人员用液晶制造了一个平面魔术窗

       受一个古老的光戏法的启发，该技术可以使一种新型的3D显示成为可能

       华盛顿——研究人员首次使用液晶制造了一个平坦的魔法窗——这是一种透明的装置，当光线照射它时，它会产生一个隐藏的图像。这项技术是一个非常古老的灯光戏法的转变。

       几千年前，中国和日本的工匠制作了铜镜，在观看自己的反射时看起来像普通的平面镜，但在阳光直射时就会形成另一种形象。直到20世纪初,科学家明白其中工作原理,因为投射在镜子后面的图像产生微小表面变化形成了图像,直到现在工程师将这种原理应用到液晶高科技显示器中。

       渥太华大学的研究小组负责人Felix Hufnagel说:“我们创造的魔术窗户在肉眼看来是完美的平面，但实际上，它在光线的作用下有细微的变化，从而产生图像。”“通过设计相对平滑的窗户，从窗户很远的地方都可以看到所创造的图像。”

图: 研究人员利用液晶制造了一种魔术窗户，当光线照射时，它会产生一个隐藏的图像。

图片来源:Felix Hufnagel，渥太华大学

       在《optica》中，Hufnagel和他的同事描述了他们开发的制造透明液晶魔术窗的过程，这种魔术窗可以产生任何想要的图像。这个过程也可以用来制造一种魔镜，它是通过反射而不是传输光来创建图像。

       Hufnagel说:“利用液晶制造魔法窗或魔法镜，未来可以制造出可重构的动态艺术魔法窗或电影。”“获得长焦的能力也使这种方法对3D显示有用，即使从不同的距离观看，也能产生稳定的3D图像。”

用液晶创造魔术

       尽管科学家们几十年前就知道，古代铜制魔镜是由于微小的表面变化而形成图像的，但直到2005年，英国布里斯托尔大学(University of Bristol)的数学物理学家Michael Berry才推导出这种效应背后的数学基础。后来，他扩展了这一知识，发展了透明魔术窗和反射魔术镜的理论基础。这项工作激发了Hufnagel和他的同事们创造一个基于液晶的魔术窗的想法。

       液晶是一种可以像传统液体一样流动的材料，但其分子可以像固体晶体一样定向。在这项新工作中，研究人员改进了一种著名制造工艺，这种工艺可以产生一种特定的液晶图案，当被照亮时，可以产生想要的图像。

       他们使用了Pancharatnam-Berry光学元件(PBOE)，这是一种液晶设备，利用了一个众所周知的原理，称为Pancharatnam-Berry相。通过改变这个装置中液晶分子的方向，研究人员在光通过装置时，可以在一个像素一个像素的基础上改变其性质。

图:研究人员创造的神奇窗户在肉眼看来是完全平坦的，但实际上，它在光照射的作用下会有细微的变化，从而产生图像。视频显示了强度分布平稳地从输入光束截面演变到所需的图像模式。

图片来源:Felix Hufnagel，渥太华大学

远距离下可以稳定成像

       Hufnagel说:“在概念层面上，Berry提出的理论有助于确定这些液晶必须如何定向，才能在远距离上创造出稳定的图像。”“我们使用了平面光学元件和由Berry的拉普拉斯图像理论规定的变化的液晶图案，当人们透过它们看时，魔术窗看起来是正常平坦的。”

       在制造了一个魔镜和窗户之后，研究人员用一台相机来测量这两种设备产生的光强度模式。当用激光束照射时，镜子和窗户都产生了可见的图像，即使相机和镜子或窗户之间的距离发生变化，图像也保持稳定。研究人员还表明，当LED光源照射时，这些设备会产生图像，这在实际应用中更实用。

       研究人员现在正致力于用他们的制造方法来制造量子魔法板。例如，其中两个板块可以产生纠缠图像，人们可以用来研究新的量子成像协议。他们也在探索使用液晶以外的方法制造魔术窗的可能性。例如，使用介电超表面来制造一个魔法窗口装置可以在增加带宽的同时减少它的尺寸。

[1] F. Hufnagel, A. D’Errico, H. Larocque, F. Alsaiari, J. Upham, E. Karimi, “Flat Magic Window,” 9, 479-484 (2022).https://doi.org/10.1364/OPTICA.454293.