基于液晶的平面“魔窗”实现偏振可切换功能，可应用于3D显示器

让透明表面和镜像表面在其自然光学行为与图像显示之间切换的能力经常出现在小说中，但在现实世界中却是一个挑战。

早在2003年，飞利浦（Philips）就开发出一款“魔镜（Magic Mirror）”电视屏幕，它将液晶（LC）显示器与壁挂式镜子集成在一起，通过控制光透射的偏振涂层来切换功能。

据麦姆斯咨询报道，加拿大渥太华大学（University of Ottawa）的最新研究项目使用液晶来构建一个偏振可切换的平面“魔窗（Magic Windows）”——这是一种透明的光学装置，当光线照射到它上面时会出现隐藏的图像。该装置背后的原理可能会产生新形式的3D显示器，并且厚度可被减小至亚波长尺度。

利用液晶构建的“魔镜”和“魔窗”

“我们创建的‘魔窗’在肉眼看来是完全平坦的，但实际上会有细微的变化，可以根据光线产生图像。”该研究项目团队负责人Felix Hufnagel说道，“通过将‘魔窗’设计得相对平滑，可以在距离‘魔窗’很远的距离范围内看到所创建的图像。”

传统的“魔镜”视错觉（optical illusion）涉及的镜子在阳光直射下可显示新图像，这要归功于结构背面的图案和表面高度的细微变化。这种视觉效果的数学基础仅由英国布里斯托大学（University of Bristol）Michael Berry于2005年研究确定。

Michael Berry后来扩展了上述数学知识，为除了反射“魔镜”之外的透明“魔窗”奠定了理论基础。渥太华大学的最新研究项目将这个问题带入了平面光学器件领域，该团队将液晶、反射式空间光调制器和Pancharatnam-Berry光学相位元件（PBOE）结合起来制造这两种类型的光学器件。

PBOE是一种通过变化的空间各向异性而不是光路长度的变化来调制光相位的液晶器件。如果它的液晶取向图案产生与由透明窗口的厚度变化引起的相位分布相同的相位分布，那么液晶PBOE可以有效地充当“魔窗”。

不同距离都可以看到稳定的3D图像

“在概念层面上，Michael Berry提出的理论有助于确定这些液晶必须如何定向，以创建在远距离范围内稳定的图像。”Hufnagel表示，“我们使用平面光学元件和Michael Berry图像理论规定的具有温和变化的液晶图案来制作‘魔窗’。当人们透过它们看时，‘魔窗’看起来是正常的或平坦的。”

在制作“魔窗”和“魔镜”之后，研究人员使用相机测量了这两种装置产生的光强度模式。当用激光束照射时，“魔窗”和“魔镜”都会生成可见的图像，即使相机与“魔窗”或“魔镜”之间的距离发生变化，该图像也能保持稳定。

“魔镜”和“魔窗”相位图的计算原理和实验装置

该研究项目还表明，这些装置在使用LED光源照明时可以生成图像，这在现实生活中的应用中使用起来更实用。

Hufnagel说道：“使用液晶制作‘魔窗’或‘魔镜’，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。具有长焦距的能力也可以使这种方法适用于3D显示器，即使从不同距离观看也能生成稳定的3D图像。”

相关研究工作以“Flat magic window”为题发表于Optica期刊，论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.454293