科學(xué)家們一直到20世紀(jì)初才弄清楚這些設(shè)備之所以能發(fā)揮作用是因?yàn)橥渡涞界R子背面的圖像產(chǎn)生了微小的表面變化，進(jìn)而導(dǎo)致圖像的形成--而工程師們直到現(xiàn)在才將同樣的原理應(yīng)用于高科技顯示器的液晶。

來(lái)自渥太華大學(xué)的研究小組負(fù)責(zé)人Felix Hufnagel表示：“我們創(chuàng)造的神奇窗口在肉眼看來(lái)是完全平坦的，但事實(shí)上，它有輕微的變化，在對(duì)光的反應(yīng)中形成圖像。通過(guò)將窗口設(shè)計(jì)得相對(duì)平滑，所產(chǎn)生的圖像可以在距離窗口很大的范圍內(nèi)被看到。”

在Optica--Optica出版集團(tuán)的高影響力研究雜志上，Hufnagel及其同事描述了他們開(kāi)發(fā)的用于創(chuàng)建透明液晶魔窗的工藝。據(jù)悉，該工藝可以產(chǎn)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(lái)創(chuàng)造圖像。

“使用液晶制作魔窗或魔鏡有朝一日可以創(chuàng)造出可重新配置的版本，以用于制作動(dòng)態(tài)藝術(shù)魔窗或電影，”Hufnagel說(shuō)道，“獲得長(zhǎng)焦距的能力還可以使該方法對(duì)3D顯示器有用，即使從不同距離觀看也能產(chǎn)生穩(wěn)定的3D圖像。”

用液晶創(chuàng)造奇跡

盡管幾十年來(lái)科學(xué)家們已經(jīng)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(guó)布里斯托爾大學(xué)的數(shù)學(xué)物理學(xué)家Michael Berry才得出這一效果的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。后來(lái)他擴(kuò)展了這一知識(shí)--除了反射式魔鏡外還為透明魔窗發(fā)展了理論基礎(chǔ)。這項(xiàng)工作啟發(fā)了Hufnagel及其同事創(chuàng)造出基于液晶的魔窗。

液晶是可以像傳統(tǒng)液體一樣流動(dòng)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(jìn)版。據(jù)悉，這種工藝產(chǎn)生了一種特定的液晶圖案，從而在照明時(shí)可以產(chǎn)生所需的圖像。

他們使用了Pancharatnam-Berry光學(xué)元件（簡(jiǎn)稱(chēng)PBOE），這是一種液晶裝置，在一個(gè)被稱(chēng)為Pancharatnam-Berry相的著名原理下運(yùn)行。通過(guò)改變?cè)撗b置中液晶分子的方向，研究人員能夠改變光在逐個(gè)像素的基礎(chǔ)上穿過(guò)該裝置時(shí)的特性。

多距離的穩(wěn)定圖像

Hufnagel指出：“在概念層面上，Berry開(kāi)發(fā)的理論有助于確定這些液晶必須如何定向以創(chuàng)建一個(gè)在大距離上穩(wěn)定的圖像。我們使用平坦的光學(xué)元件和Berry的Lapplacian圖像理論所規(guī)定的具有溫和變化的液晶圖案使得當(dāng)人們通過(guò)它們看時(shí)魔窗看起來(lái)是正常的或者說(shuō)是平的。”

在制造出魔鏡和魔窗后，研究人員用照相機(jī)測(cè)量了這兩個(gè)裝置產(chǎn)生的光強(qiáng)度模式。當(dāng)用激光束照射時(shí)，鏡子和窗戶都產(chǎn)生了一個(gè)可見(jiàn)的圖像--即使相機(jī)和鏡子或窗戶之間的距離發(fā)生變化這個(gè)圖像也保持穩(wěn)定。研究人員還表明，這些設(shè)備在用LED光源照明時(shí)也能產(chǎn)生圖像，這在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用將更加實(shí)用。

研究人員現(xiàn)在正在努力使用他們的制造方法來(lái)創(chuàng)造量子魔法板。如兩個(gè)這樣的板子可以創(chuàng)造糾纏的圖像，人們可以用它來(lái)研究新的量子成像協(xié)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(zhì)元表面來(lái)制造魔窗設(shè)備可以減少其占地面積并同時(shí)增加帶寬。