受古代青铜器启发 科学家打造出“扁平魔窗”

科学家们一直到20世纪初才弄清楚这些设备之所以能发挥作用是因为投射到镜子背面的图像产生了微小的表面变化，进而导致图像的形成--而工程师们直到现在才将同样的原理应用于高科技显示器的液晶。

来自渥太华大学的研究小组负责人Felix Hufnagel表示：“我们创造的神奇窗口在肉眼看来是完全平坦的，但事实上，它有轻微的变化，在对光的反应中形成图像。通过将窗口设计得相对平滑，所产生的图像可以在距离窗口很大的范围内被看到。”

在Optica--Optica出版集团的高影响力研究杂志上，Hufnagel及其同事描述了他们开发的用于创建透明液晶魔窗的工艺。据悉，该工艺可以产生任何所需的图像。另外，它还可用于制造魔镜以反射而非透射光线来创造图像。

“使用液晶制作魔窗或魔镜有朝一日可以创造出可重新配置的版本，以用于制作动态艺术魔窗或电影，”Hufnagel说道，“获得长焦距的能力还可以使该方法对3D显示器有用，即使从不同距离观看也能产生稳定的3D图像。”

用液晶创造奇迹

尽管几十年来科学家们已经了解到古代青铜魔镜形成图像是由于微小的表面变化，但直到2005年，英国布里斯托尔大学的数学物理学家Michael Berry才得出这一效果的数学基础。后来他扩展了这一知识--除了反射式魔镜外还为透明魔窗发展了理论基础。这项工作启发了Hufnagel及其同事创造出基于液晶的魔窗。

液晶是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。在新研究工作中，研究人员使用了一种众所周知的制造工艺的改进版。据悉，这种工艺产生了一种特定的液晶图案，从而在照明时可以产生所需的图像。

他们使用了Pancharatnam-Berry光学元件（简称PBOE），这是一种液晶装置，在一个被称为Pancharatnam-Berry相的著名原理下运行。通过改变该装置中液晶分子的方向，研究人员能够改变光在逐个像素的基础上穿过该装置时的特性。

多距离的稳定图像

Hufnagel指出：“在概念层面上，Berry开发的理论有助于确定这些液晶必须如何定向以创建一个在大距离上稳定的图像。我们使用平坦的光学元件和Berry的Lapplacian图像理论所规定的具有温和变化的液晶图案使得当人们通过它们看时魔窗看起来是正常的或者说是平的。”

在制造出魔镜和魔窗后，研究人员用照相机测量了这两个装置产生的光强度模式。当用激光束照射时，镜子和窗户都产生了一个可见的图像--即使相机和镜子或窗户之间的距离发生变化这个图像也保持稳定。研究人员还表明，这些设备在用LED光源照明时也能产生图像，这在现实生活中的应用将更加实用。

研究人员现在正在努力使用他们的制造方法来创造量子魔法板。如两个这样的板子可以创造纠缠的图像，人们可以用它来研究新的量子成像协议。另外，他们还在探索使用液晶以外的方法制造魔窗的可能性。如使用电介质元表面来制造魔窗设备可以减少其占地面积并同时增加带宽。