基于液晶的平面光学器件可操纵光来发现隐藏的图像

       当光照射到一种光学器件上时，它会显示出隐藏的图像——你可能觉得这是一种视错觉。正式如今各种平面光学器件的产生，使视错觉现象逐渐显得屡见不鲜。渥太华大学基于液晶（LC）研发了一种被称为“魔窗”的光学器件，它可以产生任何所需的图像——该效果日后可用于3D显示领域。和设计“魔窗”的过程类似，人们也可以研发一种通过反射光而不是透射光来构建图像的“魔镜”。

       “魔窗”和“魔镜”由具有表面变形或厚度分布的光学器件组成，以形成特定的图像。图像强度与表面起伏高度的拉普拉斯算子有关。

       研究团队负责人Felix Hufnagel表示，虽然他们制作的“魔窗”在肉眼看来是完全光滑的，但实际上有细微的变化，可以根据光线产生图像。”

       尽管科学家们几十年前就已经了解“魔镜”是如何在数千年前在阳光直射下形成图像的，但直到 2005 年，布里斯托大学的物理学家Michael Berry才发现了这种效应的数学理论基础。

研究人员使用液晶创造了一个“魔窗”，当光线照射在它上面时会产生隐藏的图像。

       正是受Berry工作的启发，渥太华大学的研究团队使用基于LC的光学器件、反射式空间光调制器和Pancharatnam-Berry光学相位元件构建了“魔镜”和“魔窗”。在使用拉普拉斯理论计算出所需的相位模式后，研究人员利用光学偏振-波前耦合研发了两种平面光学器件。他们实现了所需的模式和实验规范，用于设计具有可重构的空间光调制器的平面光学器件，该调制器充当“魔镜”。然后通过空间结构化向列型液晶来制造用作光学偏振波前耦合器的平板。

       研究人员使用平板展示了偏振可切换“魔窗”的概念，其中可以显示所需的图像或由窗口相位的负值产生的图像，具体取决于输入偏振光是左旋圆偏振还是右旋圆偏振。

       研究人员通过特定的制造过程能够利用 LC 产生特定的图案，当它被照亮时会产生所需的图像。

       “在概念层面上，Berry 所研究的理论有助于确定液晶的定向，以使图像在大范围内保持稳定，”Hufnagel 说。“我们使用Berry的拉普拉斯图像理论规定的具有温和变化的平面光学元件和液晶图案，当人们透过它们看时，‘魔窗’看起来是正常且光滑的。”

       在制造出“魔镜”和“魔窗”后，研究人员使用相机测量了这两种器件产生的光强度模式。 当用激光束照射时，两者都会产生可见图像。即使相机与“魔窗”或相机与“魔镜”之间的距离发生变化，该图像仍保持稳定。

      “如果‘魔镜’设计得相对平滑，可就以在距离很远的范围内看到所创建的图像，”Hufnagel 说。

      研究人员还表明，当使用 LED 光源照明时，这两种器件都可以创建图像。因此，对于某些应用来说LED可能是最实用的光源。

       通过调整平面模板，“魔镜”和“魔窗”可以在不同的波长下工作。尽管研究人员只是在单色照明下进行了测试，但他们表示该器件原则上同样可以在宽带照明下工作。

       研究人员设想了诸多用途。“使用液晶制造的‘魔镜’和‘魔窗’有朝一日可以创造出一种可重新配置的版本，用于制作动态艺术‘魔窗’或电影，”Hufnagel 说。“对3D显示器来说，可以使用该方法获得长焦的能力，由此即使从不同距离观看也能产生稳定的 3D 图像。”

       该团队目前正在研究如何制造量子“魔板”。比如，其中两个板可用于创建纠缠图像，从而可用于研究新的量子成像协议。研究人员还在探索在不涉及 LC 的方法下来制造“魔窗”的可能性。例如，利用介电超表面来制造“魔窗”，从而减少器件的面积，同时增加其带宽。

       该研究发表在 Optica (www.doi.org/10.1364/OPTICA.454293)。