Wetenschappers hebben nieuwe 2D-oppervlakken met nanostructuur gecreëerd die eruitzien als realistische 3D-objecten - inclusief schaduwen en schaduwen - met behulp van geavanceerde nano-engineering.

Het onderzoek werd uitgevoerd door King's College London naast de Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, en is gepubliceerd in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

Als licht een voorwerp raakt, de kleur, textuur, en vorm beïnvloeden hoe licht wordt geabsorbeerd en gereflecteerd, zodat u het object voor u kunt onderscheiden. Door het oppervlak te veranderen om te veranderen hoe licht wordt gereflecteerd, het is mogelijk om te manipuleren hoe het wordt weergegeven.

De onderzoekers ontwikkelden gelaagde materialen, met nauwkeurig ontworpen nanokenmerken die kleiner zijn dan de golflengte van licht, meta-oppervlakken genoemd. Hierdoor konden ze bepalen hoe licht op zeer nauwkeurige manieren wordt gereflecteerd, zodat een 2D-oppervlak licht reflecteert zoals een 3D-object dat zou doen.

Een techniek lenen van 3D computergraphics genaamd Normal Mapping, onderzoekers codeerden schaduweffecten in het beeld, het creëren van 3D-beelden die realistischer zijn dan hologrammen of 3D-cinema. Als proof-of-concept, de onderzoekers fabriceerden een plat meta-oppervlak dat de licht- en schaduweffecten van een 3D-kubus imiteerde.

De manier waarop we licht zien veranderen

De techniek kan enorme gevolgen hebben voor de optische industrie, ook in tv-schermen en fotografie, evenals in veiligheidslabels om goederen en bankbiljetten te beschermen tegen vervalsing.

Professor Anatoly Zayats van King's College zegt:"Metaoppervlakken zijn verbazingwekkend. Ze bieden ongekende vrijheid bij het sturen en manipuleren van licht. Je zou je uiteindelijk een tv-scherm kunnen voorstellen dat er precies hetzelfde uitziet als je eromheen beweegt, of een nieuwe beweging van 3D-kunst."

De mogelijkheid om licht te regelen zou nieuwe functionaliteit kunnen opleveren voor kleine cameralenzen. Een plat oppervlak kan optisch convex lijken door geschikte eigenschappen van het meta-oppervlak te ontwerpen. Toekomstige generaties smartphonecamera's zouden de kleine platte metaoppervlakken kunnen gebruiken die de eigenschappen van geavanceerde gebogen cameralenzen nabootsen, waardoor een veel grotere controle over hoek en diepteveld mogelijk is.

Metasurfaces kunnen ook zware optische lenzen vervangen in toepassingen zoals satellieten, waar gewicht en grootte een grote invloed hebben op de efficiëntie.

Meer onmiddellijk, de nieuwe nanomaterialen kunnen nu al worden gebruikt om unieke complexe 3D-beelden te creëren voor beveiligings- en anti-namaaktoepassingen, evenals voor nieuwe meettoepassingen die nauwkeurige lichtregeling vereisen.

Veel meer dan een hologram

In tegenstelling tot hologrammen, die een coherente lichtbron zoals een laser vereisen om te worden bekeken, deze oppervlakken manipuleren de weerkaatsing van normaal licht, zodat ze in alle lichtomstandigheden en vanuit elke hoek als een realistisch 3D-object verschijnen.

Bestaande holografische benaderingen zijn gebaseerd op 'spiegelreflectie', dwz het licht dat uit een bepaalde richting komt, wordt gereflecteerd in een unieke uitgaande richting, als bij een spiegel. Om dynamische lichtschermeffecten te bereiken, een metasurface-ontwerp omvat 'diffuse reflection' – waarmee de verstrooiingseigenschappen ervan kunnen worden geregeld, zodat het beeld er direct op kan worden gezien.

Voor de proof-of-concept, de onderzoekers ontwierpen een kubus met behulp van de normale kaarttechniek, die in het meta-oppervlak werd gecodeerd. Wanneer verlicht, het meta-oppervlak "berekent" onmiddellijk hoe een 3D-weergave van het beeld eruit zou moeten zien en geeft het weer.

Dr Alexander Minovich, The Royal Society Newton International Fellow aan King's College London, zei:"De normale mapping gedemonstreerd met ons metasurface is een volledig nieuw concept, maar het kan zeer belangrijke implicaties hebben voor een breed scala aan optische industrieën, zowel bij het introduceren van nieuwe functionaliteit als het kleiner en lichter maken van producten."