受古代青銅器啟發 科學家打造出“扁平魔窗”

科學家們一直到20世紀初才弄清楚這些設備之所以能發揮作用是因為投射到鏡子背面的圖像產生了微小的表面變化，進而導致圖像的形成--而工程師們直到現在才將同樣的原理應用于高科技顯示器的液晶。

來自渥太華大學的研究小組負責人Felix Hufnagel表示：“我們創造的神奇窗口在肉眼看來是完全平坦的，但事實上，它有輕微的變化，在對光的反應中形成圖像。通過將窗口設計得相對平滑，所產生的圖像可以在距離窗口很大的范圍內被看到。”

在Optica--Optica出版集團的高影響力研究雜志上，Hufnagel及其同事描述了他們開發的用于創建透明液晶魔窗的工藝。據悉，該工藝可以產生任何所需的圖像。另外，它還可用于制造魔鏡以反射而非透射光線來創造圖像。

“使用液晶制作魔窗或魔鏡有朝一日可以創造出可重新配置的版本，以用于制作動態藝術魔窗或電影，”Hufnagel說道，“獲得長焦距的能力還可以使該方法對3D顯示器有用，即使從不同距離觀看也能產生穩定的3D圖像。”

用液晶創造奇跡

盡管幾十年來科學家們已經了解到古代青銅魔鏡形成圖像是由于微小的表面變化，但直到2005年，英國布里斯托爾大學的數學物理學家Michael Berry才得出這一效果的數學基礎。后來他擴展了這一知識--除了反射式魔鏡外還為透明魔窗發展了理論基礎。這項工作啟發了Hufnagel及其同事創造出基于液晶的魔窗。

液晶是可以像傳統液體一樣流動的材料，但其分子可以像固體晶體一樣定向。在新研究工作中，研究人員使用了一種眾所周知的制造工藝的改進版。據悉，這種工藝產生了一種特定的液晶圖案，從而在照明時可以產生所需的圖像。

他們使用了Pancharatnam-Berry光學元件（簡稱PBOE），這是一種液晶裝置，在一個被稱為Pancharatnam-Berry相的著名原理下運行。通過改變該裝置中液晶分子的方向，研究人員能夠改變光在逐個像素的基礎上穿過該裝置時的特性。

多距離的穩定圖像

Hufnagel指出：“在概念層面上，Berry開發的理論有助于確定這些液晶必須如何定向以創建一個在大距離上穩定的圖像。我們使用平坦的光學元件和Berry的Lapplacian圖像理論所規定的具有溫和變化的液晶圖案使得當人們通過它們看時魔窗看起來是正常的或者說是平的。”

在制造出魔鏡和魔窗后，研究人員用照相機測量了這兩個裝置產生的光強度模式。當用激光束照射時，鏡子和窗戶都產生了一個可見的圖像--即使相機和鏡子或窗戶之間的距離發生變化這個圖像也保持穩定。研究人員還表明，這些設備在用LED光源照明時也能產生圖像，這在現實生活中的應用將更加實用。

研究人員現在正在努力使用他們的制造方法來創造量子魔法板。如兩個這樣的板子可以創造糾纏的圖像，人們可以用它來研究新的量子成像協議。另外，他們還在探索使用液晶以外的方法制造魔窗的可能性。如使用電介質元表面來制造魔窗設備可以減少其占地面積并同時增加帶寬。