丁守谦:非近轴光学用于3D发明的故事

来源:环球网发布时间:2019-05-14

从我国的博大精深的回文诗中吸取过灵感。

著名科学家N.维纳在创建控制论的时候,确实是有不少故事的,他在创建控制论之前1935~1936年还来清华大学任教过,是一个很富情趣的人,就流传过不少。尤其是1948年出版的经典之作:《控制论(或关于在动物和机器中控制和通讯的科学)》除长长的导言写出了如何产生控制论的背景及时代要求的生动故事之外,第一章:牛顿时间和柏格森时间 这个标题之后,竟然是引用一首德国的儿歌开篇的,这在任何一部严肃的经典著作中实属罕见。特抄录如下:

“你知道有多少星星位在兰色的天空?你知道有多少云朵飘浮过大地?上帝对它们作过清点,数字虽然巨大,可是一无遗漏”

丁守谦:非近轴光学用于3D发明的故事

而我的3D发明故事没那么多,但也有一点点。在创建非近轴光学时,从我国的博大精深的回文诗中吸取过灵感。抄录一首清代張奕光的《梅》如下:作为开篇。

香暗繞窗紗,半簾疏影遮。

霜枝一挺幹,玉樹幾開花。

傍水籠烟薄,隙墻穿月斜。

芳梅喜淡雅,永日伴清茶。

其詩倒读为:

茶清伴日永,雅淡喜梅芳。

斜月穿墻隙,薄烟籠水傍。

花開幾樹玉,幹挺一枝霜。

遮影疏簾半,紗窗繞暗香。

读起来也诗意正浓,不比上一首差。

近二十多年来我一直在思索:真实的客观世界是立体(3D),但记录的媒体如绘画、照相是平面(2D)的,突被平面的局限创建立体影像是人类永恒的梦想。随着3D在各个历史时期曾几起几落,其真正的原因是什么.?特别是随着阿凡达立体电影在世界各地的热播,2010年被称为3D元年,各地掀起了一股3D的热浪。仅过了4年Facebook以20亿美元之巨收购了Oculus,于是又掀起了一轮VR(虚拟现实)及AR(增强现实)的高潮,。各种头戴式的VR设备应运而生,2015年国内的VR厂商蜂拥而上,大多是在此基础上进行仿制,这些同质化产品可以统称为手机盒子。但在2016年第三季度开始,逐渐出现VR寒冬,据报道原有的200多家厂家已倒闭70%,分析其原因主要是3D显示不过关,清晰度不高,放大过度,马赛克明显,观看不久就头昏目眩。基础不牢,终将坍塌。究竟怎样的3D图象才能被大众喜闻乐见,而且又是现时能实现的。于是我提出的必须满足上文的5个条件,其品质绝对优于平面像,会让人获得别开生面的美的享受,才会使人乐而忘返。当然与节目本身是否精彩,看起来舒不舒适也十分相关。再看流行的几种形成立体像的方法: 红青眼镜法(牺牲彩色及亮度);光栅法或柱面微镜法(这就是现今所谓的“裸眼法”,牺牲一半清晰度来获取立体,,且景深的表现有限);偏振光法 ( 这就是电影院所采用的方法。但戴上的偏振光眼镜片的透光率只有50%左右,同时还会产生串扰);液晶快门法 ( 这就是家用立体电视所采用的方法。但上述串扰现象仍有发生。此外液晶快门的透光率也只有50%左右。易发闪);对眼法 (让眼睛看得特别累,只能看小画面且不能将其放大)。虽然上述各种方法在历史上都有过自己的功绩,但不能完全同时满足上述5项要求。究竟有没有这种立体显示的方法使上述5项要求全满足呢?

有幸我是我国第一批接触电子光学的人,对成像理论能从更高更阔的视野进行考察,高斯的近轴光学成像理论迄今已统治了近180年,并取得一系列辉煌成就。1926年德国布许 (Bush)更是锦上添花,发现旋转轴对称的磁场对近轴电子束也可以聚焦成像,并满足高斯光学同样的规律,开创了带电粒子光学的新领域,这确实是一项了不起的创新,令人赞赏不已,直接导至克诺尔(Knoll)和卢斯卡(Ruska)于1932~1933年间发明了电子显微镜。后来还推而广之,任何旋转轴对称的作用场对其作用的粒子均可以聚焦成像。

通过对象差的研究使人得知那些非近轴的电子束在旋转轴对称场中不是不能聚焦成像而是成像的地方不对,不是在近轴电子成像的地方,却成为近轴电子能理想成像的搗乱者或异己分子,是要“剿灭”、“降伏”的对象,这就是光学中研究 “象差”的任务,(我也是这方面的 “殺手”之一,并有过专著,其中的理论在本文中还要用到)。我突然反向思维,如果把这些非近轴的电子(这里应是光子)作为聚焦成像的主力军,而将和它不十分邻近的电子朿(例如那些近轴电子束)看作它的搗乱者不是也可以吗?也应得出和高斯光学相类似的系统。我还真的动手做了,经过艰难的求索,最终导出和高斯理想成像相类似的公式,只是非近轴光学中焦距需重新定义。即此非近轴光学的焦点是指非近轴的平行光和旋转对称轴相交的点称非近轴焦点用Fd表示,对凸透镜而言,比近轴平行光的焦点即高斯焦点用Fg表示,离透镜更近,亦即非近轴的焦距比近轴的焦距要短。当时还看不出有什么了不起的意义和用处。只是建立了一套有别于原高斯的成像体系。到有些像我国的文人雅士一时兴起写出的迴文诗一样,正着念自然是一首完美的诗,感人至极,倒过来念,也很通顺,同样是一首完美的诗。

一日,当我用作图法来画非近轴光线的焦点时,触发了我的灵感,当时我想我的一只眼不是对准传统的旋转对称轴而是离它有一定的距离(这段距离就称为偏心距),放在此非近轴光线的出口处,惊人的亊件就发生了,它原本是垂直入射穿过透镜后由于透镜的折射作用,使它一出口就斜着奔向它的焦点,而人眼所感知的就是这个斜线光,根据人脑的经验只知道这道光线是斜着射来的,而不知道原本是垂直射来的,于是萌生出偏心透镜的观念,用它可实现图象在空间的位移,这不正是我梦寐以求的吗?因为近二十年来一直沉迷于立体显示的研究,即如何使并列的二维的左眼像及右眼像通过光学方法使它们经放大后向中心位移达到完全重合而获理想立体像。这正是一种最便捷的方法,而又能保证图像在这一过程中不遭遇任何损伤。正验证了一个格言:机遇只找思想有准备的人。自此以后,益发不可收拾,据此新原理,引发了一系列的发明,这正是以后要讲的故事。

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