Des chercheurs ont utilisé des cristaux liquides pour créer des fenêtres magiques qui produisent une image cachée lorsque la lumière les éclaire. Crédit : Felix Hufnagel, Université d’Ottawa
Des chercheurs créent une fenêtre magique plate avec des cristaux liquides
Pour la première fois, des scientifiques ont utilisé des cristaux liquides pour construire une fenêtre magique plate – un dispositif transparent qui produit une image cachée lorsque la lumière l’éclaire. Cette technologie représente une nouvelle tournure pour un très vieux tour de lumière.
Il y a des milliers d’années, les artisans de Chine et du Japon ont fabriqué des miroirs en bronze qui ressemblaient à des miroirs plats ordinaires lorsqu’on y regardait son reflet, mais qui généraient une autre image lorsqu’ils étaient éclairés par la lumière directe du soleil. Il a fallu attendre le début du 20e siècle pour que les scientifiques comprennent que ces dispositifs fonctionnent parce qu’une image projetée au dos du miroir crée de petites variations de surface qui provoquent la formation de l’image – et il a fallu attendre les ingénieurs pour appliquer le même principe aux cristaux liquides pour les écrans de haute technologie.
“La fenêtre magique que nous avons créée semble parfaitement plate à l’œil nu mais, en fait, elle présente de légères variations qui créent une image en réponse à la lumière”, a déclaré le chef de l’équipe de recherche, Felix Hufnagel, de l’Université d’Ottawa. “En concevant la fenêtre pour qu’elle soit relativement lisse, l’image créée peut être vue sur une large gamme de distances à partir de la fenêtre.”
Sur Opticale journal du groupe d’édition Optica pour la recherche à fort impact, Hufnagel et ses collègues décrivent le processus qu’ils ont mis au point pour créer des fenêtres magiques transparentes à cristaux liquides qui peuvent produire n’importe quelle image désirée. Ce procédé peut également être utilisé pour créer des miroirs magiques qui reflètent, plutôt que de transmettre, la lumière pour créer une image.
Les fenêtres magiques créées par les chercheurs semblent parfaitement plates à l’œil nu mais présentent en fait de légères variations qui créent une image en réponse à la lumière. La vidéo montre la distribution de l’intensité qui évolue doucement du profil du faisceau d’entrée vers le modèle d’image souhaité. Crédit : Felix Hufnagel, Université d’Ottawa
“L’utilisation de cristaux liquides pour fabriquer des fenêtres magiques ou des miroirs pourrait un jour permettre de créer une version reconfigurable pour produire des fenêtres magiques ou des films artistiques dynamiques”, a déclaré Hufnagel. “La possibilité d’obtenir une grande profondeur de champ pourrait également rendre cette approche utile pour les affichages 3D qui produisent des images 3D stables, même lorsqu’elles sont regardées à différentes distances.”
Créer de la magie avec les cristaux liquides
Bien que les scientifiques aient compris depuis des décennies que les anciens miroirs magiques en bronze formaient des images à la suite de petites variations de surface, ce n’est qu’en 2005 que Michael Berry, physicien mathématicien au University of Bristol in the UK, derived the mathematical basis for this effect. He later extended this knowledge to develop a theoretical basis for transparent magic windows in addition to reflective magic mirrors. This work inspired Hufnagel and colleagues to create a magic window based on liquid crystals.
Liquid crystals are materials that can flow like a conventional liquid but have molecules that can be oriented like a solid crystal. In the new work, the researchers used a modified version of a well-known fabrication process that produces a specific liquid crystal pattern that allows a desired image to be created when illuminated.
They used a Pancharatnam-Berry Optical Element (PBOE), which is a liquid crystal device that operates under a well-known principle called the Pancharatnam-Berry phase. By changing the orientation of liquid crystal molecules in this device, the researchers could alter the properties of the light as it travels through the device on a pixel-by-pixel basis.
Stable images over multiple distances
“On a conceptual level, the theory developed by Berry was instrumental in determining how these liquid crystals must be oriented to create an image that is stable over a large distance,” said Hufnagel. “Our use of flat optical elements and a liquid crystal pattern with gentle variations prescribed by Berry’s Laplacian image theory allows the magic windows to appear normal, or flat, when one looks through them.”
After fabricating a magic mirror and window, the researchers used a camera to measure the light intensity patterns produced by both devices. When illuminated with a laser beam, both the mirror and window produced a visible image that remained stable even as the distance between the camera and the mirror or window changed. The researchers also showed that the devices created images when illuminated with an LED light source, which would be more practical to use in real-life applications.
The researchers are now working to use their fabrication approach to create quantum magic plates. For example, two of these plates could create entangled images which one could use to study new quantum imaging protocols. They are also exploring the possibility of fabricating magic windows using approaches other than liquid crystals. For instance, using dielectric metasurfaces to make a magic window device could reduce its footprint while increasing bandwidth.
Reference: “Flat Magic Window” by F. Hufnagel, A. D’Errico, H. Larocque, F. Alsaiari, J. Upham, E. Karimi, 5 May 2022, Optica.
DOI: 10.1364/OPTICA.454293
