[論文レビュー] Natural Light Cloaking for Aquatic and Terrestrial Creatures

Hongsheng Chen, Bin Zheng+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2013

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 22被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、自然光（非コherent、非偏光）条件下で大型の生き物（ネコや金魚）を隠すために、光学ガラスなどの等方性材料を用いた簡素化された位相非保存型透明なカモフラージュを提案する。位相を保存する必要性を放棄することで、空気中および水中で広帯域かつ偏光に依存しないカモフラージュが可能となり、人間の視覚条件下で動的かつリアルタイムの見えない状態を実証的に示した。

ABSTRACT

A cloak that can hide living creatures from sight is a common feature of mythology but still remains unrealized as a practical device. To preserve the phase of wave, the previous cloaking solution proposed by Pendry \emph{et al.} required transforming electromagnetic space around the hidden object in such a way that the rays bending around it have to travel much faster than those passing it by. The difficult phase preservation requirement is the main obstacle for building a broadband polarization insensitive cloak for large objects. Here, we suggest a simplifying version of Pendry's cloak by abolishing the requirement for phase preservation as irrelevant for observation in incoherent natural light with human eyes that are phase and polarization insensitive. This allows the cloak design to be made in large scale using commonly available materials and we successfully report cloaking living creatures, a cat and a fish, in front of human eyes.

研究の動機と目的

• 変換光学における位相保存の根本的制限を克服し、広帯域かつ大規模な見えない状態を実現すること。
• 自然光（非コherent、非偏光）条件下で、巨視的な生き物に対する実用的なカモフラージュを可能とすること。
• 複雑なメタマテリアルや極端な異方性パラメータを必要としない、一般的な等方性材料を用いた簡素化されたカモフラージュ設計を実現すること。
• 人間の視覚条件下で、水中および地上環境の両方で生き物の動的かつリアルタイムのカモフラージュを実証すること。
• 一方向または単一偏光に限定された状況を超えて、容易に入手可能な材料を用いて複数の観測方向にわたるカモフラージュ性能を実現すること。

提案手法

• 自然光と人間の視覚が位相に不感であることに基づき、変換光学における位相保存の要件を放棄すること。
• 六角形または四方向性の幾何構造を有する、等方性の光学ガラス（n = 1.78）を用いて、位相を保存しない簡素化されたカモフラージュを設計すること。
• 光学的歪みおよび端効果を最小限に抑えるために、中空の透明容器に6枚以上のレンズ状のガラスピースを配置してカモフラージュを構築すること。
• 実世界の状況を模倣し、リアルタイムでのカモフラージュ性能をテストするために、白熱灯を用いた動的背景（プロジェクターで映像を投影）を用いること。
• 自然光条件下で、水中（水槽に水を充填）および地上（オフィス環境）の両方の状況で実験を実施し、性能を検証すること。
• 動的効果を記録するため、ビデオ映像を撮影し、観察者から見かけ上生き物が消える状態を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然光下のカモフラージュにおいて、位相保存を安全に放棄しても、人間観測者の視覚的見えない状態に悪影響を及ぼさないか？
• RQ2 光学ガラスなどの一般的な等方性材料のみを用いて、巨視的な生き物に対する広帯域・偏光に依存しないカモフラージュが可能か？
• RQ3 位相が超光速でない簡素化されたカモフラージュ設計が、自然光条件下で複数の観測方向にわたり巨視的物体を効果的に隠せるか？
• RQ4 実世界の動的状況下で、従来の変換光学カモフラージュと比較して、位相非保存型カモフラージュの性能はどのように異なるか？
• RQ5 容易に入手可能な材料と単純な幾何構造を用いて、一方向から多方向への運用に拡張可能か？

主な発見

• 水槽に満たされた水の中での実験で、6枚の光学ガラスプリズム（n = 1.78）を六角形の容器に配置したカモフラージュにより、金魚が視認不能に隠された。自然光下で動的カモフラージュが実証された。
• 空気中で、同じガラス材料を用いた一方向型カモフラージュに、家畜のネコが入り込むと、頭部と前足が視界から消え、背景はそのまま可視であった。
• カモフラージュは、水中実験では6方向、地上実験では前後方向の複数の入射方向で効果的に機能した。偏光制御は不要であった。
• 発散するプロジェクター光の影響により端縁の影が観察されたが、カモフラージュの中心効果は強く保たれ、ネコの後方を飛び交うバタフライがはっきりとカモフラージュを通して可視であった。
• ビデオ記録により、観察者から生き物がリアルタイムで視界から消える様子が確認され、本手法の動的かつ現実世界応用への実現可能性が裏付けられた。
• 自然光の非コherent性と人間の視覚が位相および偏光に不感であることに基づき、本手法は超光速位相速度や極端な材料パラメータの必要性を回避した。