Die Wissenschaft und Technik hinter Amsterdams "Rainbow Station"

Die Wissenschaft und Technik hinter Amsterdams "Rainbow Station"
Anonim

von der North Carolina State University

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Wenn Sie durch den Amsterdamer Hauptbahnhof fahren, werden Sie vielleicht angenehm überrascht sein, wenn auf den großen Bogen, der sich über die Bahnsteige erstreckt, ein pulsierender Regenbogen projiziert wird. Es ist das "Rainbow Station" -Projekt des Künstlers Daan Roosegaarde - und es wurde durch eine speziell für das Projekt angepasste Technologie in Zusammenarbeit mit dem NC-Staatsforscher Michael Escuti und der ImagineOptix Corporation ermöglicht, die er als Pionier für gemusterte Flüssigkristalloptiktechnologien gegründet hat.

Was Escuti entwickelte, war ein "Spektralfilter", der auf einer Technologie basiert, die als geometrische Phasenhologramme bezeichnet wird. Für Laien ist es ein Filter, der helles weißes Licht aufnimmt und es in einen Regenbogen verwandelt, der die Farben präzise und kontrolliert "verteilt". Spektraldispersionselemente sind für Anwendungen in Bereichen wie Astronomie, optische Telekommunikation, chemische und biologische Sensorik, Halbleiterherstellung und Nanotechnologie von wesentlicher Bedeutung.

Herkömmliche Techniken zur Erzeugung eines Regenbogens, wie ein Prisma oder ein reguläres Beugungsgitter, haben mindestens eine von zwei disqualifizierenden Einschränkungen für dieses Projekt: Entweder ist die Farbstreuung nicht breit genug (was bedeutet, dass die Farben verwaschen würden) oder die Mehrheit des Lichts würde "auslaufen" (was bedeutet, dass es fast überall hingehen würde, außer in den Regenbogen). Die Technologie von Escuti lenkt jedoch etwa 99 Prozent des Lichts in den Regenbogen, sodass nur etwa ein Prozent des Lichts austreten kann.

"Das war für diese Installation besonders wichtig, da Roosegaarde einen Vier-Kilowatt-Scheinwerfer verwendet und jegliches durchgelassene Licht für Zugbetreiber oder Fahrgäste unsicher sein könnte", sagt Escuti. Mit anderen Worten, sie wollten kein durchgelassenes Licht, um vorübergehend jemanden zu blenden.

Die Arbeit wurde von Escuti in Zusammenarbeit mit Studio Roosegaarde und Mitarbeitern des NC State und der Leiden University durchgeführt. Das Video des Projekts ist bei Roosegaarde erhältlich.

Roosegaarde hatte eine Vision für das, was er mit der Installation erreichen wollte, und wandte sich an die Forscher Frans Snik und Michiel Rodenhuis in Leiden. Snik wandte sich dann an Escuti, mit dem er bereits zusammengearbeitet hatte, um astronomische Instrumente und Technologien zu entwickeln.

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"Sie wollten ein Regenbogenmuster mit einem bestimmten gewölbten Profil und einer bestimmten Farbstreuung, ohne dass Passanten durch Lichtdurchlässigkeit geblendet werden - was mit der vorhandenen Technologie als unmöglich eingestuft wurde", sagt Escuti, Leiter der Gruppe Optoelektronik und Lichtwellen-Technik bei NC State. "Also mussten wir etwas Neues machen."

Um die Vision des Künstlers zu erfüllen, haben Escuti und sein Team von ImagineOptix ihre Linie geometrischer Phasenhologramme verwendet. Dabei handelt es sich um dünne Flüssigkristallfilme, die den Winkel und die Farbstreuung von Lichtwellen steuern. Das am besten untersuchte Mitglied dieser Familie ist ein Polarisationsgitter, bei dem es sich um ein Muster vertikaler Linien handelt, das die Orientierung von Flüssigkristallmolekülen darstellt.

Da die Installation jedoch einen präzisen Regenbogenbogen und eine präzise Farbverteilung erforderte, entwickelten Escuti und sein Team ein modifiziertes Polarisationsgitter, bei dem die parallelen Linien die Form konzentrischer Kreise haben. Dieses geometrische Phasenhologramm lenkt das Licht in einen vollständigen Vollkreis-Regenbogen. Durch Manipulieren der Polarisation des Eingangslichts erzeugt dieses Element jedoch nur den oberen Teil des Kreises und unterdrückt den unteren Teil, wodurch der charakteristische Bogen eines gemeinsamen Regenbogens entsteht.

Neben der Begrenzung des Lichtverlusts stellte das Projekt eine weitere bedeutende technische Herausforderung dar. Die Technologie musste nämlich eine breite Streuung der von Roosegaarde gewünschten satten Farben bereitstellen - was für die gesamte Farbpalette zwischen Dunkelrot und Violett besonders problematisch war.

"Durch die Einbeziehung spezifischer Designmerkmale in das geometrische Phasenhologramm haben wir eine breite Streuung klarer, gestochen scharfer Farben erreicht", sagt Escuti. Insbesondere verwendeten wir ein zweidimensionales Muster mit einer Strukturgröße von 1, 5 Mikrometern, was bedeutet, dass die konzentrischen Ringe einen Abstand von 1, 5 Mikrometern haben. Dies trennt die verschiedenen Wellenlängen des Lichts wirklich voneinander und macht sie deutlicher. Eines der Werkzeuge, mit denen wir diese erzeugt haben features, ein direkt schreibender Laserscanner, haben meine Studenten, Postdocs und ich bei NC State erstellt. "

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Die gesamte Farbpalette zwischen Dunkelrot und Violett auf die Fassade des Bahnhofs zu lenken, stellte ein anderes Problem dar, da nur sehr wenige Technologien in der Lage sind, diese breite Farbpalette in einer einzigen Schicht zu manipulieren.

"Wir haben dieses Problem behoben, indem wir mehrere Schichten Flüssigkristall in das geometrische Phasenhologramm integriert haben", sagt Escuti. "Es ist eine Struktur, die wir bei NC State entwickelt haben und die als Multi-Twist-Retarder bezeichnet wird. In diesem Fall haben wir damit eine erstaunlich große Farbpalette erreicht. Sie enthält tatsächlich viel mehr Farben, als unsere typischen Smartphones und Fernseher produzieren können Digitalkameras können erfassen. "

Nach Abschluss der Designarbeiten bei ImagineOptix arbeitete Escuti mit Doktoranden in seinem Labor, Leandra Brickson und Kathryn Hornburg, und dem Postdoktoranden Jihwan Kim, zusammen, um einen "Meister" des geometrischen Phasenhologramms zu erstellen. Der Master wurde dann von ImagineOptix repliziert, um die endgültige Version für den Amsterdamer Hauptbahnhof zu erstellen, ein weiterer einzigartiger Prozess, der im NC State erstellt wurde.

"Wir haben die Technologie Anfang November an Roosegaarde gesendet, und ich kann es kaum erwarten, sie in Aktion zu sehen", sagt Escuti.