Команда інженерів з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі створила незвичний оптичний пристрій — так зване «брехливе дзеркало». На відміну від звичайної поверхні, яка просто відбиває те, що перед нею, цей елемент навмисно показує іншу, заздалегідь задану картинку. Про розробку докладно розповідає ScienceAlert.
Наразі це лише демонстрація принципу роботи: прототип здатен відтворювати просте зафіксоване зображення у відповідь на цілу низку різних вхідних сигналів. Але дослідники вже уявляють собі більш складні системи, які могли б замінювати оптичну інформацію від реального об’єкта на «буденну» картинку — фактично маскувати його у полі зору спостерігача.
Як працює «брехливе» відбиття
У традиційній оптиці генератори зображень — наприклад, проектори чи просторові модулятори світла — потребують активного живлення, цифрової обробки й внутрішнього екрана, щоб вивести попередньо запрограмоване зображення.
«Брехливе дзеркало» принципово інше: це пасивний оптичний елемент. Воно працює лише за рахунок відбиття вхідного світла й виконує роль своєрідного оптичного фільтра перетворення. Воно приймає будь-який просторовий розподіл світла, що падає на поверхню, і перетворює його на оманливий вихідний фронт хвилі — тобто на інше, наперед задане зображення.
Секрет дзеркала — у спеціально структурованій поверхні з мікроскопічними елементами, які змінюють фазу відбитого світла. Під час етапу проєктування дослідники використовують методи глибокого навчання, щоб визначити таку конфігурацію цих структур, яка спрямовуватиме світло саме до бажаного зображення.
Після виготовлення така поверхня здатна формувати лише один конкретний образ. Наприклад, незалежно від великої кількості різних вхідних картинок, на виході спостерігач завжди бачитиме умовну «качку-приманку».
За принципом це нагадує голограму: теж інженерно налаштована поверхня, що керує фазою світлових хвиль, аби їхня інтерференція створювала певну картинку. Але на відміну від голограми, яка просто відтворює збережене зображення, «брехливе дзеркало» саме трансформує уже наявну в променях візуальну інформацію у новий, фіксований образ.
Що вдалося показати в моделюванні та експериментах
У комп’ютерних симуляціях команда навчала різні варіанти таких дзеркал перетворювати:
- зображення одягу — на зображення сумки;
- різні рукописні цифри — на цифру 8;
- прості малюнки — на мордочку панди.
Коли на систему подавали нові, раніше не використані картинки, вона все одно формувала впізнаване «зображення-приманку», що й було закладено під час навчання.
Наступним кроком стало фізичне втілення одного з варіантів — саме того, який перетворював цифри на число 8. В експериментальній установці використали масив крихітних дзеркалець, які змінювали фронт хвилі й таким чином перетворювали рукописні цифри на одну й ту саму «вісімку».
Система працювала як з окремими червоним, зеленим і синім (RGB) каналами, так і з їхньою сумішшю одночасно. Інша продемонстрована версія була розрахована на безперервний (широкосмуговий) діапазон видимого світла.
Обмеження технології та реальні умови
Попри обнадійливі результати, від практичного застосування розробку відділяє чимало викликів. Наразі установки працюють у суворо контрольованих лабораторних умовах — із чітким вирівнюванням променів та використанням мікродзеркальних матриць.
В експериментах застосовували когерентне світло (наприклад, від лазера), тоді як сонячне світло та більшість реальних джерел освітлення є некогерентними. Втім, автори також змоделювали варіанти для частково когерентного освітлення й показали, що базовий підхід може працювати в симуляціях і за менш керованих умов.
На практиці для таких сценаріїв, ймовірно, знадобляться багатошарові об’ємні структури, які здатні спрямовувати й «змішувати» світло, що надходить із багатьох кутів. Тобто замість однієї тонкої поверхні доведеться створювати глибші, складніші оптичні конструкції.
Можливі застосування: від камуфляжу до розваг
Одне з очевидних застосувань такої технології — візуальний камуфляж. На відміну від простого приховування об’єкта, «брехливе дзеркало» може створювати правдоподібну, буденну «приманку», щоб спостерігач не запідозрив наявність чогось незвичного.
Наприклад, чутливе обладнання можна не закривати громіздкими кожухами, які лише привертають увагу, а розмістити перед ним такий оптичний елемент. Тоді замість реального пристрою спостерігач побачить абсолютно буденне зображення, яке не викликає інтересу.
Серед інших можливих напрямів розробники називають системи безпеки, оборону та індустрію розваг. Уявити, як зміняться атракціони із дзеркалами, якщо замість спотвореного відбиття вони показуватимуть, скажімо, моторошні чи фантастичні образи, зовсім не схожі на того, хто стоїть перед ними.
Опис роботи «брехливого дзеркала» опубліковано в журналі Nature Communications. У статті підкреслюється, що поки що це лише початковий етап досліджень, але сам принцип пасивного оптичного перетворення зображень уже продемонстрований як у моделюванні, так і в лабораторних експериментах.